CN102263115B - 固态图像传感器的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及固态图像传感器的制造方法，所述固态图像传感器具有多个像素，各像素具有包含积累区域的光电转换器和传送栅极，积累区域延伸于相应的传送栅极之下，所述多个像素包含多个像素组，各像素组包含N个相邻像素，并且，各像素组中的N个相邻像素的沟道被配置为将N个相邻像素的电荷相互远离地传送，所述方法包括：形成具有与各像素组对应的一个开口的抗蚀剂图案的步骤；以及通过沿N个离子注入方向通过抗蚀剂图案的所述一个开口将离子注入到基板中以在N个相邻像素中的每一个的传送栅极之下注入离子，形成用于N个相邻像素中的每一个的电荷积累区域的步骤。
Description
技术领域
本发明涉及固态图像传感器的制造方法。
背景技术
日本专利公开No.2008-060380公开了一种固态图像传感器的制造方法，所述固态图像传感器具有像素，所述像素中的每一个包括含有沟道区域和栅电极的MOS晶体管、以及在栅电极之下与沟道区域相接触的光电二极管区域。日本专利公开No.2006-222427公开了一种包含以面对称(plane symmetry)布置的多个像素的传感器阵列。
当日本专利公开No.2008-060380的方法被应用来制造日本专利公开No.2006-222427中描述的传感器阵列时，离子从不同的方向被注入以形成相邻像素的杂质区域。在这种情况下，通常在各自的离子注入步骤中形成不同的抗蚀剂图案。但是，如果如形成光电二极管区域所需要的离子注入的数量那样多地形成抗蚀剂图案，那么步骤的数量增加。另外，像素特性由于抗蚀剂图案之间的对准误差而变化。
发明内容
本发明提供有利于简化固态图像传感器的制造并且/或者减少像素特性的变化的制造方法。
本发明的第一方面提供一种制造固态图像传感器的方法，在所述固态图像传感器中，在半导体基板上形成多个像素，各像素具有光电转换器和传送栅极(transfer gate)，所述光电转换器包含积累电荷的积累区域，所述传送栅极形成用于将在积累区域中积累的电荷传送到电荷-电压转换器的沟道，积累区域延伸于相应的传送栅极之下，所述多个像素被配置为包含多个像素组，各像素组包含N个相邻像素(N是不小于2的整数)，以及各像素组中的N个相邻像素的沟道被配置为将N个相邻像素的电荷相互远离地传送，所述方法包括：形成具有与各像素组对应的一个开口的抗蚀剂图案的步骤；以及通过沿N个离子注入方向通过抗蚀剂图案的所述一个开口将离子注入到半导体基板中以在N个相邻像素中的每一个的传送栅极之下注入离子，形成用于N个相邻像素中的每一个的电荷积累区域的步骤。
本发明的第二方面提供一种制造固态图像传感器的方法，在所述固态图像传感器中，在半导体基板上形成第一像素和第二像素，第一像素具有第一导电类型的第一半导体区域和第一栅极，第二像素具有第一导电类型的第二半导体区域和第二栅极，第一半导体区域和第二半导体区域被布置在第一栅极和第二栅极之间，以及第一半导体区域延伸于第一栅极之下，并且，第二半导体区域延伸于第二栅极之下，所述方法包括：形成具有与第一像素和第二像素对应的一个开口的抗蚀剂图案的步骤；通过沿第一离子注入方向通过抗蚀剂图案的所述一个开口将离子注入到半导体基板中以在第一栅极之下注入离子而形成第一半导体区域的步骤；以及通过沿第二离子注入方向通过抗蚀剂图案的所述一个开口将离子注入到半导体基板中以在第二栅极之下注入离子而形成第二半导体区域的步骤。
从参照附图对示例性实施例的以下描述，本发明的进一步的特征将变得明显。
附图说明
图1是用于解释根据本发明第一实施例的固态图像传感器及其制造方法的平面图；
图2是用于解释根据本发明第一实施例的固态图像传感器及其制造方法的截面图；
图3A至3C是用于解释根据本发明第一实施例的固态图像传感器及其制造方法的截面图；
图4A至4C是用于解释根据本发明第一实施例的固态图像传感器及其制造方法的截面图；
图5是用于解释注入步骤中的所希望的条件的示图；
图6是用于解释根据本发明第二实施例的固态图像传感器及其制造方法的截面图；
图7是用于解释根据本发明第三实施例的固态图像传感器及其制造方法的平面图；
图8是用于解释根据本发明第三实施例的固态图像传感器及其制造方法的平面图；以及
图9是用于解释根据本发明第三实施例的固态图像传感器及其制造方法的平面图。
具体实施方式
根据本发明实施例的固态图像传感器可包括：包含二维布置的多个像素的像素阵列、选择像素阵列中的行的行选择电路、选择像素阵列中的列的列选择电路、以及经由列信号线从像素阵列读出信号的读出电路。在半导体基板上形成像素阵列、行选择电路、列选择电路和读出电路。典型地，读出电路从像素阵列中的由行选择电路选择的行的像素读出信号。列选择电路从由读出电路读出的像素的信号选择要被外部地输出的信号。
各像素包含光电转换器和传送栅极，所述光电转换器包含积累电荷的积累区域，所述传送栅极形成用于将积累区域中积累的电荷传送到电荷-电压转换器(浮置扩散)的沟道。电荷-电压转换器可被多个像素共享，或者，各像素可具有电荷-电压转换器。各像素或共享电荷-电压转换器的多个像素可包含复位开关和放大器单元，所述复位开关将电荷-电压转换器的电压复位，所述放大器单元将与电荷-电压转换器的电压对应的信号输出到列信号线。
图1是用于解释根据本发明第一实施例的固态图像传感器及其制造方法的平面图。图2是沿图1中的线A-A′获取的截面图。注意，参照图1，在形成传送栅极103之后，在传送栅极103上形成抗蚀剂图案106。在第一实施例的固态图像传感器中，在半导体基板100上形成多个像素，所述多个像素中的每一个包含光电转换器和传送栅极103，所述光电转换器包含积累电荷的积累区域104，所述传送栅极103形成用于将积累区域104中积累的电荷传送到电荷-电压转换器105的沟道。在图1和图2中，传送栅极103以可区别的方式被示为传送栅极103a至103f，积累区域104以可区别的方式被示为积累区域104a至104f，并且，电荷-电压转换器105以可区别的方式被示为电荷-电压转换器105a至105c。在图1和图2所示的例子中，两个像素共享一个电荷-电压转换器、一个复位开关和一个放大器单元。复位开关可由具有栅极RG的MOS晶体管形成。放大器单元可由具有栅极AG的MOS晶体管形成。
半导体基板100可包含例如半导体区域101和布置于其上的阱区域102。半导体区域101可以是第一导电类型的硅基板。阱区域102(或杂质半导体区域)可以是第二导电类型。可以在阱区域102中形成第一导电类型的积累区域104。第一导电类型可以是n型，并且，第二导电类型可以是p型。作为替代方案，第一导电类型可以是p型，并且，第二导电类型可以是n型。在半导体基板100的表面(阱区域102的表面)上形成诸如氧化物膜的绝缘膜。在绝缘膜上形成传送栅极103。当第一导电类型是n型并且第二导电类型是p型时，在积累区域104中积累电子。当第一导电类型是p型并且第二导电类型是n型时，在积累区域104中积累空穴。
积累区域104在阱区域102中延伸于传送栅极103之下。这使得可以抑制为了将积累区域104中的电荷传送到电荷-电压转换器105而要给传送栅极103施加的电压，并由此降低电源电压。积累区域104的上表面优选被布置在比半导体基板100的表面(阱区域102的表面)深的位置处。具有这种结构的光电转换器被称为埋入型，所述埋入型可降低由可在绝缘膜(氧化物膜)和半导体基板100的表面之间的界面处产生的暗电流所引起的噪声。
在图1和图2所示的例子中，各包含两个相邻像素的多个像素组被周期性排列。在该例子中，各像素组包含两个积累区域104(例如，积累区域104a和104b)以及两个传送栅极103(例如，传送栅极103b和103c)。在各像素组中，在传送栅极103(例如，传送栅极103b和103c)之下形成的沟道在将电荷相互远离地移动的这样的传送方向上传送电荷。可典型地以面对称布置包含于各像素组中的两个像素(或者两个积累区域104)。另外，在图1和图2所示的例子中，属于一个像素组的一个像素和属于相邻像素组的一个像素共享一个电荷-电压转换器、一个复位开关和一个放大器单元。该布置对于改善像素密度是有利的。
在图2所示的例子中，共用的阱区域102和积累区域104形成光电转换器。在光电转换器的积累区域104中积累由光电转换器产生的电荷。传送栅极103用作MOS晶体管的栅极。当行选择电路给传送栅极103供给有效电平(active level)的电压时，在传送栅极103之下形成MOS晶体管的沟道，使得积累区域104中积累的电荷经由沟道被传送到电荷-电压转换器105。
以下将参照图3A至3C和图4A至4C描述根据第一实施例的固态图像传感器的制造方法。这里将描述第一导电类型是n型并且第二导电类型是p型的情况，以提供更详细的例子。但是，即使在相反的情况下，本发明也是可实行的。首先，在图3A所示的步骤中，制备n型半导体基板，并且硼被注入到其中。由此获得包含在n型半导体区域101上布置的p型阱区域102的半导体基板100。接下来，在图3B所示的步骤中，在半导体基板100的表面(阱区域102的表面)上形成绝缘膜(氧化物膜)(未示出)。之后，在其上形成多晶硅膜。多晶硅膜被构图，以形成传送栅极103。
接下来执行图3C所示的抗蚀剂图案形成步骤。在抗蚀剂图案形成步骤中，在具有传送栅极103的半导体基板100上执行光刻以形成抗蚀剂图案106。抗蚀剂图案106对应于各像素组具有一个开口OP。参照图3C，各开口OP具有与两个像素的积累区域对应的面积。在第一实施例中，各像素组包含两个相邻像素。各像素组被配置为使得在两个传送栅极103之下形成的沟道在将电荷相互远离地移动的这样的传送方向上传送电荷。
接下来执行图4A和图4B所示的积累区域形成步骤。在图4A所示的步骤中，离子(例如，砷离子或磷离子)在用于在传送栅极103之下注入离子的离子注入方向上通过抗蚀剂图案106的开口OP被注入到如下的区域中：在所述区域处，应形成各与从各像素组的两个像素选择的一个像素对应的积累区域(在这种情况下，积累区域104b和104d)。接下来，在图4B所示的步骤中，离子(例如，砷离子或磷离子)在用于在传送栅极103之下注入离子的离子注入方向上通过抗蚀剂图案106的开口OP被注入到如下的区域中：在所述区域处，应形成各与从各像素组的两个像素选择的另一像素对应的积累区域(在这种情况下，积累区域104a和104c)。即，使用抗蚀剂图案106执行两个注入步骤，以形成各像素组的两个像素的所有积累区域104。在两个注入步骤中的每一个中，离子注入方向被设定，以在各像素组的两个像素中的相应一个的传送栅极103之下注入离子。
图4A所示的注入步骤的离子注入方向的在沿半导体基板100的表面的方向上的分量(+Y方向)可与图4B所示的注入步骤的离子注入方向的在沿半导体基板100的表面的方向上的分量(-Y方向)相反。另外，当将与图4A和图4B中的X-Z面平行的面定义为对称面时，图4A所示的注入步骤中的离子注入方向和图4B所示的注入步骤中的离子注入方向可具有面对称关系。一个像素组的两个传送栅极103可以关于对称面是面对称的。通过使得两个注入步骤中的离子注入方向关于对称面而面对称并且还使得一个像素组的两个传送栅极103关于对称面而面对称，可以减少像素之间的特性变化。另外，在两个注入步骤中使用共用的抗蚀剂图案106允许减少抗蚀剂图案形成步骤和剥离步骤的数量，并且还提供对于由抗蚀剂图案之间的对准误差所导致的像素之间的特性变化的问题的解决方案。
注意，在离子注入方向关于半导体基板的表面的法线倾斜的离子注入(以下将被称为斜离子注入)中，难以将离子注入到抗蚀剂图案之后的区域中。由此，使用具有用于各像素的开口的抗蚀剂图案执行斜离子注入可限制光电转换器的积累区域的面积，并且减少饱和电荷量。另一方面，根据第一实施例，对应于包含两个像素的各像素组形成一个开口，并且，通过开口执行斜离子注入。这允许增加光电转换器的积累区域的面积并改善饱和电荷量。
可同时执行上述的两个注入步骤。为此目的，例如，制备具有两个离子注入***的离子注入装置，各离子注入***包含产生离子的离子源、传输离子的束线(beam line)、以及加速离子的加速管。
接下来，在图4C所示的步骤中，在具有积累区域104的半导体基板100上形成抗蚀剂图案，并且，离子通过抗蚀剂图案的开口被注入到半导体基板100(阱区域102)中。由此形成第一导电类型的电荷-电压转换器105。注意，图4A、图4B和图4C所示的注入步骤可伴随有退火步骤。
以下将描述图4A和图4B所示的注入步骤中的所希望的条件。如图5所示，沿传送栅极103的栅极宽度的方向被定义为X轴，沿传送栅极103的栅极长度的方向被定义为Y轴，半导体基板100的表面的法线NL被定义为Z轴，并且，由X-Z面和形成积累区域104时的离子注入方向形成的角度(注入角度)被定义为α。使H为抗蚀剂图案106的高度，L为抗蚀剂图案106的开口的Y轴宽度，并且W为对于抗蚀剂图案106的开口OP露出的两个传送栅极103之间的距离。此时，优选满足：
L/2＜H·tanα＜(L+W)/2 ...(1)
当满足不等式(1)的条件H·tanα＜(L+W)/2时，照射半导体基板100的离子中的至少一些可到达半导体基板100；即，可以形成积累区域104。当满足不等式(1)的条件L/2＜H·tanα时，具有面对称性的相邻像素之间的离子注入区域可在空间上分离。为了满足不等式(1)，对于像素调整抗蚀剂图案高度H、开口宽度L、注入角度α以及传送栅极103之间的距离W中的全部或一些。
注意，不仅当以面对称布置两个像素时，而且当在将电荷相互远离地移动的这样的传送方向(例如，相反方向)上传送电荷时，第一实施例都是可适用的。
将参照图6描述根据本发明第二实施例的固态图像传感器及其制造方法。注意，在第二实施例中没有提到的细节可遵从第一实施例。第二实施例的制造方法包括形成半导体区域107的步骤，所述半导体区域107中的每一个隔离通过上述的光致抗蚀剂106的一个开口形成的两个像素(换句话说，包含于一个像素组中的两个像素)的积累区域104(例如，积累区域104a和104b)。半导体区域107具有与积累区域104的导电类型(第一导电类型)相反的导电类型(第二导电类型)。半导体区域107对颜色混合的防止和灵敏度的改善有贡献。特别是当由在不同的离子注入方向上执行的离子注入形成的两个积累区域104相互重叠或者两个积累区域104由于离子扩散而相互重叠时，半导体区域107是有用的。在第二实施例中，例如，即使抗蚀剂图案106的高度H不满足不等式(1)，两个相邻的积累区域104也可相互隔离。
将参照图7至图9描述根据本发明第三实施例的固态图像传感器及其制造方法。注意，在第三实施例中没有提到的细节可遵从第一或第二实施例。在第三实施例中，抗蚀剂图案106的一个开口OP具有与四个像素的积累区域104对应的面积。在第三实施例中，各像素组包含四个相邻像素。各像素组被配置为在四个传送栅极103之下形成在将电荷相互远离地移动的这样的传送方向上传送电荷的沟道。在图7所示的例子中，关于沿X轴的对称面和沿Y轴的对称面确保包含于一个像素组中的四个像素的面对称性。在第三实施例中，不仅与X-Z面相交而且与Y-Z面相交的离子注入方向是可选择的。
例如，如图8所示，当传送栅极103关于像素阵列方向斜着延伸时，离子注入方向可被设定以与X-Z面和Y-Z面两者相交。同样，在这种情况下，积累区域104或光电转换器可延伸于传送栅极103之下，并且，可以改善电荷传送性能。在图8所示的例子中，离子通过一个抗蚀剂图案106的一个开口在四个离子注入方向上被注入到半导体基板中，由此形成包含于一个像素组中的四个像素的积累区域104。典型地在四个离子注入步骤中完成在四个离子注入方向上的离子注入。
作为确定与X-Z面和Y-Z面两者相交的离子注入方向的替代，如图9示意性地示出的那样，可分别地(separately)设定与X轴平行的离子注入方向和与Y轴平行的离子注入方向。在这种情况下，在既在与X轴平行的离子注入方向上又在与Y轴平行的离子注入方向上注入离子的区域中，杂质浓度变高。在该实施例中，优选形成第二实施例中的用于分离的半导体区域107那样的半导体区域，以使四个积累区域104相互隔离。
当在包含N个(N为2或更大的自然数)相邻像素的各像素组的传送栅极103之下形成的沟道在将电荷相互远离地移动的这样的传送方向上传送电荷时，本发明也是可适用的。在这种情况下，在各注入步骤中，离子在用于在传送栅极103之下注入离子的离子注入方向上通过抗蚀剂图案106的各开口OP被注入到如下的区域中：在所述区域处，应形成从各像素组的N个像素选择的一个像素的积累区域104。在依据所选择的像素(即，应为其形成积累区域的像素)改变离子注入方向的同时，这种注入步骤被执行N次，以形成各像素组的N个像素的所有积累区域104。注意，第一至第三实施例使用N为偶数的例子。但是，N可以是奇数。如果N是奇数，那么布局效率可能较差。
在第一至第三实施例中，多个像素共享一个电荷-电压转换器、一个复位开关和一个放大器单元。本发明不限于该例子。可对于每个像素布置一个电荷-电压转换器、一个复位开关和一个放大器单元。
虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但要理解，本发明不限于公开的示例性实施例。所附的权利要求的范围要被赋予最宽的解释，以包含所有这样的修改以及等同的结构和功能。
Claims (5)
1.一种制造固态图像传感器的方法，在所述固态图像传感器中，在半导体基板上形成多个像素，
各像素具有光电转换器和传送栅极，所述光电转换器包含积累电荷的积累区域，所述传送栅极形成用于将在积累区域中积累的电荷传送到电荷-电压转换器的沟道，
积累区域延伸于相应的传送栅极之下，
所述多个像素被配置为包含多个像素组，各像素组包含N个相邻像素，N是不小于2的整数，以及
各像素组中的N个相邻像素的沟道被配置为将N个相邻像素的电荷相互远离地传送，所述方法包括:
形成具有与各像素组对应的一个开口的抗蚀剂图案的步骤;以及
通过沿N个离子注入方向通过抗蚀剂图案的所述一个开口将离子注入到半导体基板中以在N个相邻像素中的每一个的传送栅极之下注入离子，来形成用于N个相邻像素中的每一个的积累区域的步骤，
其中，当沿传送栅极的栅极宽度的方向被定义为X轴、沿传送栅极的栅极长度的方向被定义为Y轴、半导体基板的表面的法线被定义为Z轴、由X-Z面和离子注入方向形成的角度被定义为α、抗蚀剂图案的高度被定义为H、抗蚀剂图案的所述一个开口的Y轴宽度被定义为L、并且对于抗蚀剂图案的所述一个开口露出的两个传送栅极之间的距离被定义为W时，满足:
L/2＜H·tanα＜(L+W)/2。
2.根据权利要求1的方法，其中，在形成积累区域的步骤中，在改变离子注入方向的同时，离子被注入到半导体基板中N次，以在N个离子注入方向中的每一个上将离子注入到半导体基板中。
3.根据权利要求1的方法，还包括形成使各像素组的N个相邻像素的积累区域相互隔离的半导体区域的步骤。
4.根据权利要求1的方法，其中，N=2或4。
5.根据权利要求1的方法，其中，包含于各像素组中的像素相互具有面对称性。
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