專利名稱：固態圖像傳感器的制造方法
技術領域：
本發明涉及固態圖像傳感器的制造方法。
背景技術：
具有通過傳送開關將在光電轉換器中由光電轉換產生的電荷傳送到諸如浮置擴散的電荷-電壓轉換器的布置的固態圖像傳感器是已知的。日本專利特開No. 2007-311803 公開了為了形成構成光電二極管的雜質區域相對于基板的表面的法線以傾斜角將離子注入基板內的方法。根據該方法，還在傳送開關的柵極(傳送柵極)下面注入離子。如果相對于基板的表面的法線以傾斜角將離子注入基板內，那么產生由限定離子注入區域的掩模遮蔽的區域。如果對于要形成光電二極管的電荷蓄積區域的區域、即要注入離子的區域的一部分的離子注入被妨礙，那么要蓄積的電荷量、即飽和電荷量變少，由此使固態圖像傳感器的動態范圍變窄。
發明內容
本發明提供了有利于提高飽和電荷量的固態圖像傳感器的制造方法。本發明的各方面中的一個方面提供了一種具有在半導體基板上形成的多個像素的固態圖像傳感器的制造方法，各像素包含光電轉換器、電荷-電壓轉換器和柵極，該柵極用于形成用于將在光電轉換器中產生的電荷傳送到電荷-電壓轉換器的溝道，該方法包括離子注入步驟，用于將離子注入到半導體基板的要形成光電轉換器的目標區域內，其中，離子注入步驟被執行N次(N是2或更大的自然數)，在各離子注入步驟中，沿相對于所述半導體基板的表面的法線具有傾斜角的方向注入離子，注入離子的目標區域在各離子注入步驟中不同，并且，對于執行N次的各離子注入步驟，在半導體基板上形成掩模，該掩模對于每N個像素具有開口，多個開口沿半導體基板的表面與由該法線和該具有傾斜角的方向確定的平面之間的交線的方向周期性布置。參照附圖從示例性實施例的以下描述，本發明的其它特征將變得清晰。
圖1是用于示例性地解釋根據本發明的第一和第二實施例的一個像素的布置的布局圖；圖2A 2E是用于解釋根據第一實施例的固態圖像傳感器的制造方法的示圖；圖3是沿圖2C中的線A-A'切取的截面圖；圖4是用于解釋比較例的截面圖；圖5A 5D是用于解釋根據第三實施例的固態圖像傳感器的制造方法的示圖；以及圖6是用于解釋根據本發明的第四實施例的固態圖像傳感器的制造方法的布局圖。
具體實施例方式根據本發明的實施例的固態圖像傳感器可包含其中二維布置多個像素的像素陣列、被布置為選擇像素陣列中的行的行選擇電路、被布置為選擇像素陣列中的列的列選擇電路和被布置為通過列信號線從像素陣列讀出信號的讀出電路。在半導體基板上形成像素陣列、行選擇電路、列選擇電路和讀出電路。典型地，讀出電路讀出像素陣列中的由行選擇電路選擇的行的像素的信號。列選擇電路在由讀出電路讀出的行的像素的信號中選擇要輸出到外面的信號。圖1是用于示例性地解釋根據本發明的第一和第二實施例的一個像素的布置的布局圖。各像素可包含光電轉換器、電荷-電壓轉換器、傳送開關、放大器和復位開關。光電轉換器具有光電二極管102。電荷-電壓轉換器包含浮置擴散(以下，稱為FD) 100。傳送開關用作將在光電二極管102中蓄積的電荷傳送到FD 100的MOS晶體管，并且包含柵極 103。柵極103通過具有接觸插頭103c的傳送控制線與行選擇電路連接。當行選擇電路將傳送控制線驅動到活動電平時，柵極103在自身下面形成用于將在光電二極管102中蓄積的電荷傳送到FD100的溝道。復位開關用作用于復位FD 100的MOS晶體管，并且包含柵極 105。柵極105通過具有接觸插頭105c的復位控制線與行選擇電路連接。構成復位開關的 MOS晶體管的一個擴散區域與具有接觸插頭l(Mc的復位線連接。放大器用作用于將與FD 100的電勢對應的信號輸出到列信號線的MOS晶體管，并且包含柵極107。柵極107通過具有與柵極107連接的接觸插頭107c和與FD 100連接的接觸插頭106c的信號線與FD 100 連接。在有源區域(active region) 101上布置光電二極管102、FD 100、復位開關的擴散區域和放大器的擴散區域。除有源區域101外的區域是隔離區域。參照圖2A 2E和圖3，將描述根據本發明的第一實施例的固態圖像傳感器的制造方法。圖2A 2E僅示出像素陣列中的8個像素區域。圖3是沿圖2C中的線A-A'切取的截面圖。在圖2A所示的步驟中，在半導體基板上形成隔離區域，并且，除該隔離區域以外的部分用作有源區域101。隨后，形成傳送開關的柵極103、復位開關的柵極105和放大器的柵極107。在圖2A 2E所示的例子中，平移對稱地布置有源區域101、柵極103、105和107。 可通過在半導體基板上形成柵極材料層(例如，多晶硅層)、在其上面形成第一抗蝕劑圖案 103'并且通過使用第一抗蝕劑圖案103'作為掩模蝕刻柵極材料層，形成柵極103、105和 107。在圖2B所示的步驟(同時離子注入步驟)中，通過形成第二抗蝕劑圖案108并且通過使用第二抗蝕劑圖案108作為掩模將離子注入到半導體基板內，形成光電二極管102。 在圖2B所示的步驟中，離子被同時注入到要形成像素陣列的多個像素的所有光電二極管的目標區域內。注意，出于相互區分多個像素的光電二極管102的目的，作為光電二極管 102的替代，圖2B 2E示出光電二極管102-1 102-8。在圖2B所示的步驟中，離子注入中的對于半導體基板的離子接近方向可與半導體基板的表面的法線平行。換句話說，離子沿與半導體基板的表面的法線平行的方向被注入到半導體基板內。作為替代方案，在圖 2B所示的步驟中，對于半導體基板的離子接近方向可以是相對于法線傾斜的方向(例如， 在<100>基板的情況下，傾斜角典型地被設為7° )，以抑制溝道效應(channeling)的影響。通過除了圖2C和圖2D所示的兩個離子注入步驟(后面描述)以外還執行圖2B所示的離子注入步驟，能夠單獨地調整柵極103下面的區域和剩余區域中的雜質分布。在圖2B 所示的步驟中，平均離子摻雜深度可落入例如0. 15 μ m(包含) 3.00 μ m(包含)的范圍內。摻雜深度是相對于半導體基板的半導體區域和層疊于該半導體區域的表面側上的絕緣膜之間的界面的深度。注意，圖2B所示的步驟可被省略。可以在去除第一抗蝕劑圖案103'之后形成第二抗蝕劑圖案108，或者可以在不去除第一抗蝕劑圖案103'的情況下形成第二抗蝕劑圖案108。在后一種情況下，基于柵極 103的厚度和第一抗蝕劑圖案103'的厚度確定光電二極管102的在柵極103下面形成的部分的厚度(深度)。在圖2C和圖3所示的步驟中，在去除第二抗蝕劑圖案108之后形成第三抗蝕劑圖案109。然后，通過使用第一抗蝕劑圖案103'和第三抗蝕劑圖案109作為掩模，并且將對于半導體基板的離子接近方向設為相對于半導體基板的表面的法線NL具有傾斜角θ的方向，將離子注入到半導體基板內。換句話說，離子沿相對于半導體基板的表面的法線NL具有傾斜角θ的方向被注入到半導體基板內。傾斜角θ可落入例如5° (包含) 60° (包含)、優選15° (包含) 60° (包含)的范圍內。可以確定傾斜角θ，使得在柵極103 下面注入離子。當相對于法線NL以傾斜角注入離子時，產生第三抗蝕劑圖案109的遮蔽部 (shadow)、即不注入離子的區域。在圖2C所示的例子中，離子被注入到要形成光電二極管 102-1 102-8中的光電二極管102-1、102-3、102-5和102-7的目標區域內。另一方面， 沒有離子被注入到要形成光電二極管102-2、102-4、102-6和102-8的目標區域內。使離子接近方向傾斜形成光電二極管部分地在柵極103下面延伸的布置、即柵極103和光電二極管相互重疊的重疊布置。該布置有利地提高從光電二極管102向FD 100傳送電荷的效率。 在圖2C和圖3所示的步驟中，平均離子摻雜深度可落入0 μ m(包含) 0. 15 μ m(包含) 的范圍內。摻雜深度是相對于半導體基板的半導體區域和層疊于半導體區域的表面側上的絕緣膜之間的界面的深度。在形成第三抗蝕劑圖案109之前，可以如上面描述的那樣留下第一抗蝕劑圖案103'的全部或一部分，或者，可以去除第二抗蝕劑圖案108和第一抗蝕劑圖案103'兩者。在圖2D所示的步驟中，在去除第三抗蝕劑圖案109之后形成第四抗蝕劑圖案110。 然后，通過使用第一抗蝕劑圖案103'和第四抗蝕劑圖案110作為掩模，并且將對于半導體基板的離子接近方向設為相對于半導體基板的表面的法線NL具有傾斜角θ的方向，將離子注入到半導體基板內。傾斜角θ典型地被設為與圖2C所示的步驟中的角度相同的角度。在圖2D所示的例子中，離子被注入到要形成光電二極管102-1 102-8中的光電二極管102-2、102-4、102-6和102-8的目標區域內。相反，沒有離子被注入到要形成光電二極管102-1、102-3、102-5和102-7的目標區域內。在形成第四抗蝕劑圖案110之前，可如上面描述的那樣留下第一抗蝕劑圖案103'的全部或一部分，或者，可以去除第三抗蝕劑圖案 109和第一抗蝕劑圖案103'兩者。在圖2C和圖2D所示的步驟中以傾斜角θ注入離子使得光電二極管102的一部分在傳送開關的柵極103下面延伸，并且有助于控制光電二極管102的蓄積電荷量。在具有MOS晶體管布置的傳送開關的柵極103下面形成的溝道的溝道長度方向(圖2C中的χ 方向)上，第三抗蝕劑圖案109周期性地對于每兩個像素具有用于將離子注入到目標區域內的開口。目標區域表示要形成光電二極管的區域、即要注入離子的區域。類似地，從圖2D可以清楚地看出，在傳送開關的柵極103下面形成的用于傳送電荷的溝道的溝道長度方向 (圖2D中的χ方向)上，第四抗蝕劑圖案110周期性地對于每兩個像素具有用于將離子注入到目標區域內的開口。為了使得能夠以傾斜角θ進行離子注入，第三抗蝕劑圖案109或第四抗蝕劑圖案110的開口的面積比單個光電二極管102( S卩，目標區域)的面積大。在本例子中，溝道長度方向與沿半導體基板的表面與由對于半導體基板的離子接近方向和半導體基板的法線NL確定的平面之間的交線的方向平行。由該接近方向和法線NL確定的平面包含例如法線NL和該接近方向。但是，如圖6所示，溝道長度方向無需與沿交線的方向平行。將參照圖3解釋第三抗蝕劑圖案109的設計方法。也可通過與用于第三抗蝕劑圖案109的設計方法相同的設計方法來設計第四抗蝕劑圖案110。使Lpd為光電二極管102-3 的寬度(對于其它的光電二極管來說也是如此)，并且θ為對于半導體基板的離子接近方向相對于法線NL的傾斜角。還假定H表示抗蝕劑圖案109的厚度；P表示像素陣列節距； Lres表示抗蝕劑圖案109的寬度。然后，具有以下的關系H · tan θ +Lpd+Lres = 2 · P注意，Lpd、P和Lres中的每一個表示沿溝道長度方向的寬度。抗蝕劑圖案109的寬度Lres不可能具有負值。假定Lmin表示光刻工藝中的抗蝕劑圖案的沿溝道長度方向的最小加工尺寸。在這種情況下，必須滿足Lmin <Lres。傾斜角 θ由此被確定為滿足Lmin<Lres。在柵極103下面存在的光電二極管的部分的面積依賴于傾斜角θ。出于比較的目的，參照圖4，考慮如下這樣的情況，即通過使用具有與要形成所有像素的光電二極管的目標區域對應的開口的抗蝕劑圖案109'作為掩模，以傾斜角Θ'將離子注入到半導體基板內。在這種情況下，由于必須確定傾斜角Θ'以滿足以下的關系，因此，與第一實施例相比，傾斜角Θ'的選擇自由度更有限H · tan θ ‘ +Lpd+Lmin < P在第一實施例中，在針對用于形成重疊布置的離子注入(以下，稱為重疊離子注入)所使用的抗蝕劑圖案上，在由柵極形成的溝道的溝道長度方向(或沿交線的方向)上對于每兩個像素設置用于離子注入的開口。因此，必須為了重疊離子注入形成兩次抗蝕劑圖案，并由此使用兩個中間掩模(reticle)。由于每當執行重疊離子注入時離子被注入到要形成多個像素中的一些像素的光電二極管的目標區域內，因此重疊離子注入也可被稱為分割離子注入。在第二實施例中，沿溝道長度方向(或沿交線的方向)對于每三個像素為抗蝕劑圖案設置用于離子注入的開口。在這種情況下，必須為了重疊離子注入形成三次抗蝕劑圖案，并由此使用三個中間掩模。但是，通過周期性地對于每三個像素設置用于離子注入的開口，能夠加寬傾斜角θ，并且/或者使得能夠應對像素節距P的減小。通過沿溝道長度方向(或沿交線的方向)對于每N個像素為抗蝕劑圖案設置用于離子注入的開口，能夠將第一和第二實施例擴展到執行N次重疊離子注入的情況。設計要求由下式給出H · tan θ +Lpd+Lmin < N · P這里，N是2或更大的自然數。
如果N更大，那么重疊離子注入的執行次數增加，同時能夠加寬傾斜角θ，并且/ 或者使得能夠應對像素節距P的減小。將參照圖5Α 5D描述根據本發明的第三實施例的固態圖像傳感器的制造方法。 可以以與上述的傾斜角θ相同的傾斜角θ執行N次重疊離子注入。也可以以不同的傾斜角執行N次重疊離子注入中的至少兩次。作為替代方案，可以以不同的傾斜角執行N次重疊離子注入。注意，以下沒有具體提到的細節與第一實施例一致。在圖5Α 5D所示的例子中，，一個FD 100、一個復位開關(柵極105)和一個放大器(柵極107)是兩個像素共有的。這有助于一個像素的面積的減小，并且有助于更高密度的像素陣列。在圖5Α所示的步驟中，形成有源區域101、傳送開關的柵極103、復位開關的柵極105和放大器的柵極107。可通過在半導體基板上形成柵極材料層(例如，多晶硅層)、 在其上面形成第一抗蝕劑圖案(未示出)并通過使用第一抗蝕劑圖案作為掩模蝕刻柵極材料層，形成柵極103、105和107。在圖5Α 5D所示的例子中，由共享FD 100、復位開關和放大器的兩個像素形成的單位像素組具有鏡面對稱布置。多個單位像素組被平移對稱地布置。在圖5Β所示的步驟中，如在圖2Β所示的步驟中那樣，通過形成第二抗蝕劑圖案 (未示出)并且通過使用第二抗蝕劑圖案作為掩模將離子注入到半導體基板內，形成光電二極管102-1 102-8。此時，離子注入方向可以是與半導體基板的表面的法線平行的方向，或者是為了抑制溝道效應的影響的相對于法線傾斜的方向。在圖5C所示的步驟中，在去除第二抗蝕劑圖案之后形成第三抗蝕劑圖案509。然后，通過使用第三抗蝕劑圖案509作為掩模，相對于半導體基板的表面的法線以傾斜角θ 將離子注入到半導體基板內，使得在柵極103下面注入離子。傾斜角θ落入例如5° 60°、優選15° 60°的范圍內。在圖5C所示的例子中，離子被注入到要形成光電二極管 102-1 102-8中的光電二極管102-1、102-3、102-5和102-7的區域內。另一方面，沒有離子被注入到要形成光電二極管102-2、102-4、102-6和102-8的區域內。在圖5D所示的步驟中，在去除第三抗蝕劑圖案509之后形成第四抗蝕劑圖案510。 然后，通過使用第四抗蝕劑圖案510作為掩模，相對于半導體基板的表面的法線NL以傾斜角-Θ將離子注入到半導體基板內，使得在柵極103下面注入離子。傾斜角-Θ的符號與圖5C所示的步驟中的傾斜角θ的符號不同。考慮以xy面為與半導體基板的表面平行的平面并且以χ方向為溝道長度方向的xyz坐標系。在這種情況下，傾斜角-θ與具有+χ方向分量的方向對應，并且，傾斜角θ與具有-χ方向分量的方向對應。即，圖5C所示的重疊離子注入步驟中的傾斜角(離子注入方向)與圖5D所示的重疊離子注入步驟中的傾斜角不同。典型地，圖5C所示的重疊離子注入步驟中的θ與圖5D所示的重疊離子注入步驟中的θ相同，但是，它們可相互不同。在圖5D所示的例子中，離子被注入到要形成光電二極管102-2、102-4、102-6和102-8的區域內。另一方面，沒有離子被注入到要形成光電二極管 102-1、102-3、102-5 和 102-7 的區域內。本發明可適用于諸如具有平移對稱布置的多個像素或像素組的布置、具有鏡面對稱布置的多個像素或像素組的布置和具有旋轉對稱布置的多個像素或像素組的布置的各種對稱布置。圖6是用于解釋根據本發明的第四實施例的固態圖像傳感器的制造方法的布局圖。具有與第一和第二實施例相同的功能的部分具有相同的附圖標記，并且，其詳細的描述被省略。在第一實施例中，如圖2C所示，溝道長度方向(或交線的方向)與以矩陣拓撲布置的像素的行方向平行。第四實施例與第一實施例的不同之處在于，溝道長度方向不與像素行或列方向平行。并且，第四實施例與第一實施例的不同之處在于，多個光電二極管共享 —個 FD0在第一實施例的制造方法中，在圖2C所示的步驟中設定傾斜角，使得傾斜角在沿溝道長度方向(A-A')切取的截面處變為θ。在第四實施例的制造方法中，傾斜角被設定以使得傾斜角在沿像素行或列方向切取的截面處變為Θ。在第四實施例的制造方法中，第三或第四抗蝕劑圖案沿圖6中的行方向對于每兩個像素具有開口。除了以上的點以外，可以使用與第一實施例相同的制造方法。在根據第一到第三實施例中的每一個的制造方法中，在圖2C所示的步驟中，離子被注入以形成重疊布置。即使不形成重疊布置，也可出于防止溝道效應的目的相對于半導體基板的表面的法線沿傾斜方向(在<100>基板的情況下，傾斜角典型地被設為7° )注入離子。如果像素的數量增加，那么，在為了防止溝道效應而沿傾斜方向注入離子時，被抗蝕劑遮蔽的部分出現問題。本發明也可適用于這種情況。如上所述，在本發明的各實施例中，為了形成光電二極管，通過使用對于每N個像素具有用于離子注入的開口的掩模(抗蝕劑圖案)，執行N(為2或更大的自然數)次重疊離子注入。這使得能夠在各像素區域內的寬區域上注入用于形成光電二極管的離子。通過該處理，在提高向FD傳送電荷的效率的同時增加要在光電二極管中蓄積的信號電荷量、即飽和電荷量。雖然在以上的實施例中使用抗蝕劑圖案作為用于離子注入的掩模，但是，可以使用所謂的硬掩模那樣的其它掩模。可通過利用光刻法在構成硬掩模的材料層上形成抗蝕劑圖案，并且通過使用抗蝕劑圖案作為掩模進行蝕刻來對材料層進行構圖，來形成硬掩模。雖然已參照示例性實施例說明了本發明，但應理解，本發明不限于公開的示例性實施例。以下的權利要求的范圍應被賦予最寬泛的解釋以包含所有的變型方式以及等同的結構和功能。
權利要求
1.一種具有在半導體基板上形成的多個像素的固態圖像傳感器的制造方法，各像素包含光電轉換器、電荷-電壓轉換器和柵極，所述柵極用于形成用于將在所述光電轉換器中產生的電荷傳送到所述電荷-電壓轉換器的溝道，所述方法包括離子注入步驟，用于將離子注入到所述半導體基板的要形成所述光電轉換器的目標區域內，其中，離子注入步驟被執行N次，N是2或更大的自然數，在各離子注入步驟中，沿相對于所述半導體基板的表面的法線具有傾斜角的方向注入離子，注入離子的目標區域在各離子注入步驟中不同，并且，對于各離子注入步驟，在半導體基板上形成掩模，所述掩模對于每N個像素具有開口， 多個所述開口沿所述半導體基板的表面與由所述法線和所述具有傾斜角的方向確定的平面之間的交線的方向周期性布置。
2.根據權利要求1的方法，其中，所述目標區域包含所述柵極下面的區域。
3.根據權利要求1的方法，還包括同時離子注入步驟，用于同時將離子注入到所述多個像素的所有目標區域內。
4.根據權利要求1的方法，其中，所述開口的面積比所述目標區域的面積大。
5.根據權利要求1的方法，其中，離子注入步驟中的至少兩個離子注入步驟的傾斜角相互不同。
6.根據權利要求1的方法，其中，離子注入步驟中的至少兩個離子注入步驟的所述具有傾斜角的方向相互不同。
7.根據權利要求1的方法，其中，H · tan θ +Lpd+Lmin < N · P這里，P表示所述多個像素的沿所述交線的方向的陣列節距，θ表示傾斜角，H表示所述掩模的厚度，Lmin表示所述掩模的沿所述交線的方向的最小加工尺寸，以及Lpd表示所述光電轉換器的沿溝道長度方向的寬度。
8.根據權利要求3的方法，還包括在同時離子注入步驟之前蝕刻由柵極的材料構成的柵極材料層的蝕刻步驟，其中，在同時離子注入步驟中使用的掩模包含在蝕刻步驟中使用的掩模的全部或一部
全文摘要
本發明公開了固態圖像傳感器的制造方法，該制造方法用于制造在基板上具有像素的傳感器，各像素包含光電轉換器、電荷-電壓轉換器和用于形成用于將光電轉換器中的電荷傳送到電荷-電壓轉換器的溝道的柵極，該方法包括將離子注入到基板的要形成光電轉換器的目標區域內的步驟，其中，該步驟被執行N次，在步驟中的每一個中，離子沿相對于基板表面的法線具有傾斜角的方向被注入，注入離子的目標區域在各步驟中不同，并且，對于各步驟，在基板上形成對于每N個像素具有開口的掩模，多個開口沿表面和由法線和該方向確定的平面之間的交線的方向周期性布置。
文檔編號H01L27/146GK102244084SQ20111011905
公開日2011年11月16日 申請日期2011年5月10日 優先權日2010年5月14日
發明者渡邊高典 申請人:佳能株式會社