TWI379383B - Method of forming ccds in cmos process - Google Patents

Description

1379383 : 九、發明說明： ·. 【相關申請案】 • 本申請案係2005年3月28曰所提申之美國申請案第 11/〇91，722號的接續案。在此將上述申請案全文整合一併 參考之》 【發明所屬之技術領域】 本發明關於整體式固態元件，且更特別地為一種利用 •標準互補金屬氧化物半導體（CMOS)製程製造電荷耦合元件 (CCD)的方法〇 【先前技術】 現在相當普遍應用於數位相機及類似元件中做為影像 感測器的電荷耦合元件係由一構件陣列所構成用以移動 一批批的電子電荷《每一個構件包含典型地藉由在一或更 多介電層上沉積多個複晶矽（此後稱之為複晶矽）層所製造 •出的一或更多閘極。然而，多數電荷耦合元件所使用的製 程係量身打造以使成像用的電荷耦合元件最佳化，因此相 當地貴。同時，標準的電荷耦合元件製程大體上無法製造 互補金屬氧化物半導體電路。 開發出只使用單一複晶矽層之電荷耦合元件製造技術 係特別地吸引人。如在此所教示的，所產生的這些方式可 與標準互補金屬氧化物半導體製造技術相容，使得將電荷 耦合元件及互補金屬氧化物半導體電路整合在相同晶片上 5 1379383 更為容易。只以單一複晶矽層來製造一電荷耦合元件的優 勢先前已被其他人所知悉，例如’在1 999 IEEE有關電荷 麵合元件暨先進影像感測器的研討論會（19 9 9 IE E E Workshop on Charged Couple Devices and Advance Image Sensors)，由Okada Y.在1999年六月號第至頁之，， 具有單層複晶石夕電極的FT-/CCD影像感測器的核心執行效 率（Core Perf0rmance of FT_/CCD Image Sens〇r whh Single

Layer· 0f p〇iy-Silicon Electr〇de)”一文中所發表的。同時， 參見發證給Hynecek並讓與isetex公司的美國專利 6,369,413。 【發明内容】 本發明關於一種於原先設計來製造數位邏輯及類比電 路的習知互補金屬氧化物半導體（CM〇s)製程中製造一電荷 耦合元件（CCD)的方法。該製程使用單一複晶矽層。

在一較佳配置中，該電荷耦合元件係由一些相鄰複晶 =閘極所構成’其係在—石夕基板之主動區上由間隙隔開之 矽行條狀形式。在本發明中’在該等閘極下方被選取的該 土主動區係屬於在習知互補金屬氧化物半導體製程中所謂” 生土長％效電晶體（FET)之下所使用的類型。該等土生 =石夕區域具有與不論是單體或蟲晶的石夕初始材料-樣 法^摻雜位準。—些前述製造單複晶碎電荷耗合元件方 p丄埋入式通道植入及特別的植入，以摻雜位在該等間 、的石夕基板。以使用該土生土長的主㈣來取代，可 6 1379383 製造高執行效能的表面通道電荷耦合元件，而不必在該等 間隙中添加額外的摻雜。 在一習知互補金屬氧化物半導體製程中，一輕度摻雜 物植入典型地被施用以產生一般所謂的’，源極_汲極延伸區” 或”輕度摻雜汲極，，區。施用本植入，使得場效電晶體閘極 自我對準，並摻雜緊鄰該等閘極的矽基板區。根據本發明， 一光罩被使用以防止植入該電荷耦合元件區域尤其是由 該電荷耦合元件閘極間的間隙之植入。 藉由施加一重度N或P植入劑量，於習知互補金屬氧 化物半導體製程中形成場效電晶體，《同時摻雜該場效電 晶體的閉極及相鄰的源極及汲極區^該閘極防止本植入到 達位在它本身下方的基板區，因此一自我對準的源極-閘極 =及極結構被形成。對於本製程中的電荷耦合元件製造而 & ，需要使用一光罩以防止植入於該等電荷耗合元件間 隙’但仍可讓本植人對該等閘極進行摻雜。在該閘極每一 側上的一小條複晶矽也被阻隔，藉以確保該植入不會到達 該間隙，即使是利用有缺陷的光罩對準亦然。在一㈣該 植入的回火製程期間，由該植入所引進的摻雜物接著散開 遍佈整個閘極區域範圍。 該源極.·汲極植入的選擇性遮罩係本發明特有的特徵。 本步驟中所使用的光罩可盥用以界 干用以乔疋大體上該互補金屬氧

化物半導體製程中的N型或p型柏 F 土 4 r孓植入Q域所使用的光罩相 同。N型及p型閘極兩者可 夺』以此万式產生，以選擇該電荷 麵合元件中的二不同閘極臨界電 〇丨电& 忑一種閘極類型可被 7 1379383 • 混入相同的電荷耦合元件中。 .β在下一步驟中，在該等閘極頂部形成該金屬矽化物以 .提供較低閘極電阻率所使用的金屬也可被遮罩以防止矽化 物於該等閘極間的間㉟中形成。基於此目的所使用的光罩 可為一般在該習知互補金屬氧化物半導體製程中選擇性地 產生非矽化複晶矽電阻器所使用者。在非常小的間隙之情 況中’不需要使用本光罩’此因一般界定該源極汲極延伸 區的一間隔物區域會完全地覆蓋該間隙，以防止在那裡形 _成妙化物。 因此，本發明一優勢之理由係在於，由電荷耦合元件 可利用互補金屬氧化物半導體製程製成，互補金屬氧化物 半導體製程原本只是用於互補金屬氧化物半導體電路。以 互補金屬氧化物半導體製程所製造之矽晶圓量係非常大 的，使得那些製程受到多數賣主良好地控制並具有高良 率。利用這類大量互補金屬氧化物半導體製程所產生:^ 荷耦合元件代表其所產生的晶片相較於使用一特定製程要 ®相對地更便宜。 其它優勢在於該等電荷耦合元件之速度會較快，此因 它們的閘極可透過離子植入及/或將部分閘極轉換成一金屬 矽化物而被製造的更具傳導性。 額外的優勢之理由在於，該互補金屬氧化物半導體邏 輯及類比電路可整體地與該等電荷耦合元件整合在一起^ 尤其，有許多類比及數位操作，相較於處理邏輯或普通的 類比互補金屬氧化物半導體電路之數位互補金屬氧^物半 8 導體，其利用 電恭《is人二从入一. l

荷耦合元件及更有效率 電路設計者在可彈性使用更有效率的電 效率的互補金屬氧化物半導.體電路。甚 至，其使得互補金屬氧化物半導體及電龍合元件構件之 曰加作用的結合係可行，否則在相同晶片上係不可行。 方面具有優勢，例 使用之無線接收器 者。 使用本發明的產品可在通訊及可攜式消費產品應用 例如於無線局部區域網路、行動電話中所 器、發射器以及數位相機及數位攝影機兩 【實施方式】 本發明較佳實施例之說明如下。 係T用的’且平常伤用於拟士：语从帝B诚/τ__ ，

π肌个晋贗》之解样。根據本發明，藉由以某些 特別方式來施用這些步驟，也可形成電荷耦合元件。標準 處理步驟之這些特別使用#式詳細說明於&。在本說明 中’假設Ν型電荷麵合元件被形成。然而，利用相反換雜 物類型的相同程序可被使用以產生？型電荷搞合元件。 本發月係種於習知互補金屬氧化物半導體（CM〇s)製 高效能表面通道電荷搞合元件（CCD)之技術。下 歹J。兒明中所述及的所有遮罩及處理步驟於這類製程中一般 1379383 苐1圖係平面圖，顯示根據本發明之一基本電荷耦合 兀件。其由複晶石夕閘極16所構成，以平行條狀形式覆蓋 在主動區12上。該等閘極由間隙21所分隔。該主動區 12係屬於在習知互補金屬氧化物半導體製程中所謂，，土生 土長”場效電晶體（FET)之下所使用的類型，因而具有一非 *低的掺雜位準。該主動區（如第丨圖中虛線所示者）的邊 界係由製程中-般所使用之隔離方法來界定。該複晶石夕間 極被沉積在-般閘極氧化物層上並使用習知遮罩及蝕刻方 法來圖案化。 在閘極被界疋後，一源極_汲極延伸區，，或，，輕度摻雜 汲極(LDD)植入以習知方式被施用。本輕度摻雜汲極植入 破”玄等閘極所阻擋’但滲入與該等閘極相鄰的矽基板，形 j部分的習知場效電晶體源極及汲極。在帛！圖所示之電 订耦a 7C件中，本植入通常會滲入該等間隙2 1中的基板。 為了形成-功能性電荷麵合元件，對該等閉極21的這種 摻雜必須被防止一光罩典型地可有效的防止該習知互補 金屬氧化物半導體製程中的輕度摻雜汲極植入。其一般係 用以防止Ρ型場效電晶體中的Ν型輕度播雜汲極植入。本 ^特徵係使用相同光罩以防止該輕度摻雜汲極植入於 6亥電荷輕合元件間隙2 1。 第2Α圖顯示第！圖中所示之相同基本電荷耦合元件 面圖。該等閘極16及間隙21連同其下的閘極氧化物 〇起係可見的。倘若該基板上層被輕度摻雜，本發明係 可應用於蟲晶及單體兩初始材料。第2A圖顯示㈣基板⑺ 10 1379383 及一可用的磊晶層15。 在閘極形成並圖案化以及該輕度摻雜汲極植入後，該 習知互補金屬氧化物半導體製程繼續在該等閘極（配合第$ 及6圖說明於後）各側上形成絕緣間隔物，接著進行一重度 植入以形成该場效電晶體源極及汲極並摻雜該場效電晶體 閘極。在習知場效電晶體的形成中，本植入滲入但未穿透 該等閘極。同時滲入與該等閘極（只深過該間隔物介電層） 相鄰的矽基板，形成自我對準的源極及汲極區。光罩被使 用以防止此源極-汲極植入於相反類型的場效電晶體；亦 即，防止N植入於p型場效電晶體，並防止p植入於N型 場效電晶體。 本發明一特徵係使用這類光罩以防止該源極-汲極植入 於電荷耦合元件間隙。本防止動作係示於第2a圖，且更 詳細地示於第2B圖。產生該源極_沒極植入之離子流2〇 因而被一光罩18阻擋於該等間隙21外，而仍可滲入該等 閘極1 6。如第2B圖所示’本植入也被阻擋於每一個閘極 16的一狹小區域26外，用以確保該等間隙未被植入，即 使在光罩18未完全對準事件中亦然。由於該源極-沒極植 入步驟’離子已被植人如第1及2B圖中由該等陰影區22 所示之複晶石夕閘極内。 相同的植入摻雜物分佈係示於第3A圖。在該源極·汲 極植入步驟之後’ 1火製程（未示於各圖中）活化已被植 入於該等複晶矽間極16中的摻雜物原子。如第3b圖所示， 本回火H &引起4等已植人摻雜物原子擴散至整個間極w 1379383 範圍。帛3Affl中的陰影密度*意性表示@入後的捧雜物 原子分佈。第3B圖示意性表示回火後該等主動摻雜物原 子更均勻地散佈至該閘極。 多數習知互補金屬氧化物半導體製程提供添加至該閘 極及源極/汲極區以增加傳導性的一金屬矽化物層❶為了形 成本矽化物層，一金屬層被沉積在該晶圓表面上。在沉積 s亥金屬後，該晶圓被回火。在本回火步驟期間，一金屬矽 化物層係形成於矽或複晶矽上停靠有該金屬之各處。在該 金屬未與矽接觸的地方，如其停靠在氧化物上為例，不會 有矽化物被形成。未形成矽化物的金屬於下一步驟中被移 除。S知上，一矽化物阻擋光罩被提供以保護該晶片某些 區域避免矽化物形成，用以例如產生未被矽化的複晶矽電 阻器。 當在一互補金屬氧化物半導體製程中形成一電荷耦合 元件以提供矽化閘極時，會有利於該電荷耦合元件及習知 場效電晶體内所增加的閘極傳導性。然而，在一電荷耦合 元件中，該等間隙2丨中的任何矽化物將會阻礙正確的操 作。因此，本發明一特徵係使用一矽化物阻擋光罩來防止 在該等電荷耦合元件21中形成矽化物。第4圓說明一部 分電荷耦合元件，其中，矽化物28被形成於一部分閘極ι6 上，但不在該間隙21中。經由保護靠近該閘極每一個邊 緣之區域29以避免矽化物形成，該間隙十之矽化物形成 被防止，即使在該矽化物阻擋光罩的不完全對準情況下亦 然。在該區域28内該閘極16中間的矽化物仍提供該改善 12 1379383 閘極傳導性之好處。 在習知互補金屬氧化物半導體製程中，一絕緣間隔物 層被形成於每一場效電晶體閘極的每一側上。本間隔物被 使用於界定與該等場效電晶體相鄰的源極汲極延伸區及防 止在該閘極及該緊鄰矽基板各側上形成矽化物。如第$圖 所不，當根據本發明製造一電荷耦合元件時，本間隔物3〇 可部分或完全蓋住在該電荷耦合元件中相鄰閘極〖6間所 形成的間隙21。在第5圖示例子中，該間隙被間隔物材料 口 P刀·™•住》在第6圖中’所示整個間隙被自相鄰閘極j 6 中的合併間隔物30所蓋住《由該合併間隔物3〇提供於該 等間隙中之石夕基板覆蓋係防止石夕化物形成於該間隙中。因 此，矽化物3 1只形成於所露出的複晶矽閘極上。所產生 的結構係示於第6B圖中。若該製程規則允許閘極空隔（間 隙）小到足以如第6A圖所示之由該間隔物所提供完全的間 隙覆盍，則使用合併間隔物3〇提供了使用該矽化物阻擋 光罩之一替代方案，以根據本發明形成具有矽化閘極之功 能性電荷輕合元件。 /絮1電荷耦合元件電51 ϋ亜一祕.座丨丨，田从带#

本例中，於該閘極 16旁， 序列電荷耦合元件末端處的這 16旁’可允許植入該源極^及 13 1379383 極延伸區32 ’也同樣允許形成一電晶體之其它源極汲極 植入，而產生摻雜形成區33，其具有一金屬矽化物接觸區 34 ° 現在可了解只使用一般可用於標準低成本互補金屬氧 化物半導體製程的製程步驟，如何能夠在相同基板上製造 電荷麵合元件及互補金屬氧化物半導體兩結構。 雖然已參考較佳實施例來特別表示及說明本發明，但 热知本項技術之人士應了解，於不偏離申請專例範圍所涵 蓋之本發明範圍前提下，可進行形式及細節上的各種變 化。 【圖式簡單說明】 由圖式所示之特定的本發明較佳實施例之說明可明清 楚地了解本發明前述及其它目的、特徵及優勢，圖式中， 頦似之兀件符號表示該等不同圖式中的相同部件。該等圖 式並非知：比例顯示，而是強調所示的本發明原理。 第1圖係植入及/或閘極矽化後之電荷耦合元件結構的 俯視圖。 第2A及2B圖係根據本發明製造一電荷耦合元件所使 用製程步驟之剖面及細部圖。 第3 A及3B圖係電荷耦合元件閘極中所植入之摻雜原 子擴散之剖面圖第3 A圖顯示植入後之植入摻雜原子濃 度，第3B圖顯示在一稍後步驟中該等原子如何擴散更= 勻地#雜閘極。 14 1379383 第4圖顯示具有圖案化金屬矽化物之電荷耦合元件閘 極0 第5圖顯示在電荷耦合元件閘極邊緣處形成後之間隔 物-絕緣體層。 第6A及6B圖顯示一與第5圖類似的結果，具閘極彼 此間相當靠近，隨後金屬矽化物係形成於電荷耦合元件閘 極上。 第7圖說明使用摻雜區之輔助電荷轉移結構。

【主要元件符號說明】 10 带基板 12 主動區 14 閘極氧化物 15 蟲晶層 16 複晶矽閘極 18 光罩 20 離子流 21 間隙 22 陰影區 26 狹小區域 28、31 矽化物 29 區域 30 間隔物 32 源極-汲極延伸區 15 1379383 33 摻雜形成區 34 金屬-矽化物接觸區

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Claims (1)

1. 十、申請專利範園： 1. 一種於一互補金屬氧化物半導體（CM〇幻製程中形成 黾荷_合元件（CCD)之方法，包括下列步驟· 提供一具有一帶電荷區域之基板； 在該帶電荷區域上形成一閘極氧化物層； 藉由在該閘極氧化物層上沉積一複晶矽層並接著圖案 化該複晶矽層以界定各個單層複晶矽閘極及其間的複數個 1隙以在該閘極氧化物層上形成複數個單層複晶矽閘 極； 定位一光罩，以分別界定與該等間隙及該等閘極實質 對準之遮罩區域及未遮罩區域；及 選擇性施加一摻雜物至與該複數個單層複晶矽閘極中 每-個相關的未遮罩區域中，其中，該等遮罩區域防止該 等摻雜物滲入至該等間隙區域中。 2.根據申請專利範圍第1項之方法，另包括： 回火該等單層複晶石夕閉極，以進一步將該推雜物分佈 Φ 至該等單層複晶矽閘極。 3·根據中請專利範圍第丨項之方法’其中，該穆雜物 係以離子植入法施加。 4.根據申請專利範圍第！項之方法，其中，該摻雜物 係為P型，用於該等複晶石夕閘極其中之一咬更多。 5·根據f請專利範圍第丨項之方法，其/，該捧雜物 係為N型，用於該等複晶矽閘極其中之一或更多。 6.根據申請專利範圍第1項之方法，盆 T ’至少一遮 17 1379383 在至少一早層複晶石夕閘極上形成一金屬石夕化物區域。 15. 根據申請專利範圍第14項之方法，其中，用以圖 案化金屬矽化物之一光罩進一步防止矽化物形成於該等間 隙中至少一者内。 16. 根據申請專利範圍第項之方法，其中，用以圖 案化金屬石夕化物之一光罩同時用以界定在該基板上其它地 方的電阻器，其係藉由防止在複晶矽上或在擴散區域上形 籲成石夕化物。 17. 根據申請專利範圍第14項之方法，其中，用以圖 案化金屬矽化物之一光罩進一步防止矽化物形成於該等閘 極中至少一者的至少一部分周圍上。 18. 根據申請專利範圍第i項之方法，其中，一或更多 閘極係相當接近的在一起，使得一源極·汲極·延伸區間隔 物絕緣體充滿閘極間的該等間隙，也使得矽化物可被形成 於該等閘極上，但被防止而無法形成於該等間隙内。 _ 19. 一種於一互補金屬氧化物半導體（CMOS)製程中形 成一電荷麵合元件（CCD)之方法，包括下列步驟： 提供一具有一帶電荷區域之基板； 保留該基板的土生土長的摻雜位準； 在s亥帶電荷區域上形成一閘極氧化物層；及 藉由在該閘極氧化物層上沉積一複晶矽層並接著圖案 化該複晶矽層以界定各個單層複晶矽閘極及其間的複數個 間隙，以在該閘極氧化物層上形成複數個單層複晶矽閘 19 13/9383 極0 2〇.根據申請專利範圍第19項之方法，另包括： 定位一光罩，以分別界定與該等間隙及該等閘極實質 對準之遮罩區域及未遮罩區域；及 選擇性施加-摻雜物至與該複數個單層複晶石夕閉極中 每一個相關的未遮罩區域中，其中，料遮罩區域防止該 等摻雜物滲入至該等間隙區域中。 21·根據申請專利範圍第20項之方法，另包括： 回火該等單層複晶石夕閘極，以進一步將該播雜物分佈 至該等單層複晶矽閘極。 22. 根據申請專利範圍第2〇帛之方法，其中，該換雜 物係以離子植入法施加。 23. 根據申請專利範圍第2〇項之方法，其中，至少一 遮罩區域延伸過該等閘極中至少—者的至少—部分邊緣。 24. 根據申請專利範圍第2〇項之方法，其中，該光罩 同時被制來界定位在該基板上其它地方的―或更多W 或P型場效電晶體。 25. 根據申請專利範圍第2〇項之方法，另包括之步驟 入 植入光罩，以防止該等間隙被一植入步驟所滲 :6.根據申請專利範圍第25項之方法，其中，該植入 選自以下所組成之族群：屬該互補金屬氧化物半導 私。P分的源極-汲極延伸區植入步驟及輕度摻雜汲極 20 1379383 植入步驟。 27. 根據申請專利範圍第i9項之方法， 晶石夕閘極係形成於-摻雜物環境卜 ”中該等複 28. 根據申請專利範圍第19項之方法 成金屬氧化物半導體電晶體# ’、用於形 相鄰於至少一閉極，以、、主構原極/沒極結構係配置 』个 M /主入或取出電荷。 驟，.根據申請專利範圍第19項之方法，另包括下列步

   利用與用於形成該電荷耗合元件相同之基板、 摻雜物施加步#，#彡# _ 4 騍形成般使用於互補金屬氧化物半導 (CMOS)電路中之—或更多元件。 物半導體 30.-種於一互補金屬氧化物半導體（CM 成一以件（CCD)之方法，包括下列步驟： ^ 提供一具有一帶電荷區域之基板； 保留該基板的土生土長的摻雜位準； 在該帶電荷區域上形成一閉極氧化物層； 藉由在該閘極氧化物層上沉積—傳導材料層並接著圖 案化該傳導材料層以界定各個閘極及其間的複數個間隙， 以在該閘極氧化物層上形成複數個閘極；及 半 隙 在進步處理期間，藉由使用於該互補金屬氧化 導體裝程中可用之光遮罩步驟，以防止摻雜於該等 中。 21