CN1812110A - 半导体器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种实现了图像同时性的CMOS固体摄像器件及其制造方法。本发明一实施方式的固体摄像器件，具有：光信号存储区，设置在半导体衬底中；信号检测区，设置在上述半导体衬底中，与上述光信号存储区隔离；晶体管，将上述光信号存储区和上述信号检测区电连接；布线，与上述信号检测区连接；以及遮光膜，与上述信号检测区靠近设置，覆盖该信号检测区。
Description
该专利申请的基础以及权利要求的优先权来自日本专利申请No.2004-371903，2004年12月22日提出，其全部内容与此有关，可供参考。
技术领域
本发明涉及固体摄像器件及其制造方法，尤其涉及MOS固体摄像器件及其制造方法。
背景技术
具有放大功能的放大型金属半导体硅(MOS)固体摄像器件适用于像素尺寸的缩小以及像素数的增加。所以，有希望扩大应用。再者，放大型MOS摄像器件，与过去广泛应用的电荷耦合器件(CCD)摄像器件相比，功耗小，基本上利用互补MOS(CMOS)工艺来制造，所以容易和其他CMOS电路合并统一，因此发展前景广阔。
放大型MOS固体摄像器件的像素单元的电路结构100的一例示于图1。如图所示，放大型MOS固体摄像器件包括：作为光电变换部的存储信号的光电二极管(光信号存储区)102、作为信号扫描电路部的用于读取信号的读取晶体管104、用于放大信号的放大晶体管16、以及用于清除光电二极管的信号电荷的复位晶体管108等。通过使读取晶体管104导通，即可把存储在光电二极管102上的信号读取到读取晶体管104的漏极(信号检测区)104D。信号检测区104D与放大晶体管106的栅连接。放大晶体管106的漏极连接在电源VDD上。若选择出(使导通)垂直选择晶体管110，则电源电压VDD被放大晶体管106放大到信号检测区104D的电荷量所对应的电位上，输出到垂直信号线112。对于2维配置的多个像素单元依次进行这样的信号检测操作，即可获得1个图像。
具有上述电路的摄像器件的一例公开在特开2000-150849号公报上。在该例中，在半导体衬底中设有光电二极管。光通过半导体衬底上方所设置的第2遮光膜的开口部而射入到光电二极管内。光电二极管内存储的光信号所对应的电荷，按预定周期被传输到读取晶体管的漏极(信号检测区)，并被保存预定时间。被保存的电荷依次作为图像信息被取出，在该保存期间内，到达光电二极管周围的栅电极，例如到达读取晶体管的栅电极等上的光被反射之后，经过各种路径，例如在第2遮光膜的下面被反射后，射入到读取晶体管的漏极(信号检测区)。这样的光使保存在信号检测区内的电荷(即信息)发生变化。也就是说变成为所谓混色(crosstalk：串扰)现象的原因。
若产生混色，则读取同一期间内取得的各像素单元的信息，即像素的同时性(global shutter)受到损失。对于固体摄像器件来说达到该同时性是重要的课题。
发明内容
本发明的目的是提供实现了图像的同时性的半导体器件及其制造方法。
采用本发明一实施方式的固体摄像器件，其特征在于，具有：光信号存储区，设置在半导体衬底中；信号检测区，设置在上述半导体衬底中，与上述光信号存储区隔离；晶体管，将上述光信号存储区和上述信号检测区电连接；布线，与上述信号检测区连接；以及遮光膜，与上述信号检测区靠近设置，覆盖该信号检测区。
采用本发明的另一实施方式的固体摄像器件的制造方法，其特征在于具有以下步骤：在半导体衬底中形成光信号存储区；在半导体衬底中，与上述光信号存储区隔离形成信号检测区；形成晶体管的源/漏极；在上述半导体衬底上，隔着绝缘膜而形成导电性材料膜；加工上述导电性材料膜，来形成将上述光信号存储区和上述信号检测区电连接的晶体管的栅电极；形成覆盖上述信号检测区的遮光膜；形成与上述信号检测区连接的布线。
附图说明
图1是一般的放大型MOS固体摄像器件的像素单元的等效电路图。
图2A、2B是用于说明本发明第1实施方式的一例的图。
图3A至3E是用于说明本发明第1实施方式的制造工艺的一例的工程断面图。
图4是表示第1实施方式的光漏射量和入射光波长的关系的图。
图5是表示第1实施方式的遮光膜的厚度和光漏射量的关系的图。
图6A、6B是用于说明第1实施方式的变形例1的图。
图7A、7B是用于说明第1实施方式的变形例2的图。
图8A、8B是用于说明第1实施方式的变形例3的图。
图9A、9B是用于说明第1实施方式的变形例4的图。
图10A、10B是用于说明第1实施方式的变形例5的图。
图11A、11B是用于说明第1实施方式的变形例6的图。
图12A、12B是用于说明本发明第2实施方式的图。
图13A、13B是用于说明本发明第2实施方式的变形例6的图。
具体实施方式
以下参照附图，详细说明本发明的实施方式。图中对应的部分用对应的参照标记来表示。以下的实施方式表示一例。在不脱离本发明精神的范围内，能够以各种变形来实施。
利用本发明能够提供实现了图像的同时性的CMSO固体摄像器件及其制造方法。
<第1实施方式>
第1实施方式是通过与半导体衬底表面层上所形成的信号检测区的上方接近而设置新的遮光膜，来抑制了混色问题的固体摄像器件。
在图2A、2B中，表示采用本实施方式的MOS固体摄像器件的像素单元100的主要部分的一例。图2A是平面布置图，像素单元100包含：光电二极管102、读取晶体管104、复位晶体管108及其他。图2B是用于容易说明断面结构的图，是包含光电二极管102、读取晶体管104和复位晶体管108的断面的模式图，是实际上不存在的断面。(用于说明后面所示的断面结构的图也是一样)。光电二极管102是把入射光变换成电信号的光电变换部，是存储光信号的光信号存储区。读取晶体管104把存储在光信号存储区内的图像信号传输到其漏极104D(22)。读取晶体管104的漏极104D(22)是信号检测区，它暂时存储图像信号。复位晶体管108排出信号检测区104D(22)的电荷。在本实施方式中，接近该信号检测区104D(22)上方而设置第1遮光膜50，也就是说，信号检测区104D(22)上的接触区26除外的大部分被第1遮光膜50覆盖，防止散射光漏射信号检测区内，达到了图像的同时性。本实施方式的第1遮光膜50是利用与读取晶体管104的栅电极20R相同的多晶硅膜形成的。
参照用于说明图3A至3E所示的工程断面结构的图，来说明采用本实施方式的MOS固体摄像器件的制造方法的一例。
首先，参照图3A，在半导体衬底10例如硅衬底上形成阱(ウエル)(未图示)和元件隔离12。元件隔离12从微细化的观点出发，最好使用浅沟槽隔离(STI)。但也可以使用其他元件隔离技术，例如局部氧化硅(LOCOS)隔离。
形成光电二极管102的区以外用抗蚀剂(未图示)覆盖，离子注入n型杂质，例如磷(P)，形成n型扩散层14。并且，在n型扩散层14的表面部分上离子注入高浓度的P型杂质，例如离子注入硼B，形成P型扩散层16。n型扩散层14对所接收的光进行光电变换，生成与光强度相对应的电荷。P型扩散层16起到表面屏蔽层的作用。
再者，读取晶体管104的漏极22和像素单元100的其他晶体管的形成源/漏极22的区以外被抗蚀剂(未图示)覆盖，离子注入n型杂质，例如磷，形成漏极22。该读取晶体管104的漏极22变成信号检测区104D。读取晶体管104的漏极22和除此以外的晶体管的源/漏极也可以在各自的工序中形成。这样，能够形成图3A的结构。
以下参照图3B，在硅衬底10上的整个面上形成栅绝缘膜18。栅绝缘膜18可以使用例如用热氧化法形成的硅氧化膜(SiO2膜)。在栅绝缘膜18上的整个面上形成多晶硅膜20a。多晶硅膜20a可以使用例如高浓度掺杂磷的多晶硅膜。利用平版印刷术和刻蚀术对该多晶硅膜20a进行加工，形成栅电极20。同时，如图3B所示，在读取晶体管104的漏极22(信号检测区104D)上的形成接点的区以外的区形成第1遮光膜50。在漏极22和元件隔离12相连接的部分，最好如图2A所示，第1遮光膜50越过该边界还形成在元件隔离12上。这样，能够形成图3B所示的结构。
以下参照图3C，全面淀积第1层间绝缘膜24。第1层间绝缘膜24可以使用例如由化学汽相淀积(CVD)法形成的SiO2膜。并且，例如用化学机械抛光(CMP)法进行平坦化。再者，利用平版印刷术和刻蚀术来对第1层间绝缘膜24进行加工，形成接触孔28h。并且，在接触孔28h底面的硅衬底10上，离子注入n型杂质，例如磷，形成接触区26。这样，能够形成图3C所示的结构。
以下参照图3D，在包括接触孔28h的内部在内的整个面上例如用CVD法淀积钨(W)28a。除去淀积在接触孔28h以外的表面上的CVD-W28a，来形成接触塞子28。之后，例如用溅射法全面淀积第1吕膜(Al膜)30a。再者，用平版印刷术和腐蚀来对第1Al膜30a进行加工，形成Al布线30。这样，能够形成图3D所示的结构。
以下参照图3E，在包括Al布线30上面的整个面上淀积第2层间绝缘膜32。第2层间绝缘膜32和第1层间绝缘膜24一样，能够使用CVD-SiO2膜。并且，对第2层间绝缘膜32，例如用CMP法进行平坦化，利用溅射法来全面淀积第2Al膜34a。第2Al膜34a起到第2遮光膜34的作用。在第2Al膜34a的光电二极管102所对应的部分，用平版印刷术和刻蚀术来设置开口部34W。
按照以上说明，完成将本实施方式的读取晶体管104的漏极22(信号检测区104D)上的大部分用第1遮光膜50覆盖的、图3E所示的像素单元100。
这样，通过用第1遮光膜50覆盖漏极22上的大部分，能够抑制在光电二极管102的光信号存储区14附近例如读取晶体管104的栅电极20R表面上反射的光，漏射到作为信号检测区的漏极22。
图4是表示本实施方式的光漏射抑制效果的曲线图。图的横坐标是光的波长，纵坐标是光的漏射量。图中的“口”标记表示本实施方式的情况，菱形表示现有技术的情况。光漏射具有波长取决性，波长越短，漏射量越多。根据本实施方式，能够有效地抑制该短波长侧的漏射量，能够大致上减少到一半。
在图4中示出了第1遮光膜50使用多晶硅膜的情况，可以使用具有半圆球状的晶粒的半圆球形晶粒(HSG)膜、高熔点金属硅化物膜、例如硅化钼(MoSi)、硅化钨(WSi)、硅化钛(TiSi)、硅化钴(CoSi)、硅化镍(NiSi)，或者氮化钽(TaN)膜。再者，也可以使用多晶硅膜、上述硅化物膜中的某一种或者它们和TaN膜中的某2种或2种以上构成的层压膜。上述这样的膜，光反射率高，和/或透射率低，所以通过使用它，能够减小透过第1遮光膜50到达信号检测区104D的光漏射量。
在图4的例中，第1遮光膜50使用了厚度200nm的多晶硅膜。若使多晶硅膜增厚，则遮光效果提高。图5是表示其一例的曲线图。图中，表示多晶硅膜的厚度为200nm、400nm、600nm的情况。若使多晶硅膜的厚度提高n倍，则光漏射量按指数函数减少，大致为1/2n。
如前面说明，利用本实施方式，能够抑制光向信号检测部的漏射，能够提供图像同时性优异的放大型MOS固体摄像器件。
本发明的结构和制造方法，可以用各种变形来实施。以下利用图6A、6B至图11A、11B，说明该变形例的几种。
<变形例1>
变形例1如图6A、6B所示，是把第1遮光膜50和读取晶体管104的栅电极20R形成一个整体的例子。图6A是平面布置图，图6B是说明断面结构的图。和读取晶体管104的栅电极20R形成一个整体的第1遮光膜50从沟道区104c上面开始覆盖漏极22上面的大部分而连续形成。这样，即使读取晶体管104的栅电极20R和第1遮光膜50形成一体，也只能够在沟道区104C上形成使读取晶体管104导通时的沟道，所以，不会对读取晶体管104的动作产生不良影响。因此，能够提高第1遮光膜50对漏极22即信号检测部104D的覆盖率。其结果，能够抑制光向信号检测部的漏射，其效果等于或超过第1实施方式的效果，能够提供图像的同时性优异的放大型MOS固体摄像器件。
<变形例2>
变形例2如图7A、7B所示，是把第1遮光膜50和复位晶体管108的栅电极20R形成一个整体的例子。图7A是平面布置图，图7B是说明断面结构的图。和复位晶体管108的栅电极20RS形成一个整体的第1遮光膜50从沟道区108c上面开始覆盖读取晶体管漏极22上面的大部分而连续形成。这样，即使形成第1遮光膜50，也和读取晶体管104的情况一样，不会对复位晶体管108的动作产生不良影响。在此情况下，也能够抑制光向信号检测部内的漏射，其效果等于或超过第1实施方式的效果，能够提供图像的同时性优异的放大型MOS固体摄像器件。
<变形例3>
变形例3如图8A、8B所示，是利用与该硅膜是读取晶体管104及复位晶体管108的栅电极不同的另外的第2硅膜来形成第1遮光膜50的一例。图8A是平面布置图，图8B是说明断面结构的图。第1遮光膜50隔着绝缘膜48而与读取晶体管104的栅电极20R相重叠而连接形成，并且，形成为覆盖对信号检测部104D(漏极22)上面的大部分。通过这样形成第1遮光膜50，能够获得与变形例1相等的光漏射抑制效果。
<变形例4>
变形例4如图9A、9B所示，与变形例3一样，是利用第2硅膜来形成第1遮光膜50的另一例。图9A是平面布置图，图9B是说明断面结构的图。第1遮光膜50从复位晶体管108的栅电极20RS上面开始覆盖信号检测部104D(读取晶体管104的漏极22)上面的大部分而延伸形成。这样，通过形成第1遮光膜50，能够获得与变形例2相同的光漏射抑制效果。
<变形例5>
变形例5如图10A、10B所示，与变形例2、3一样，是利用第2硅膜形成了第1遮光膜50的另一例。图10A是平面布置图，图10B是说明断面结构的图。在本实施方式中，在形成第1遮光膜50之前，在整个表面上形成薄的绝缘膜48。然后，在该薄的绝缘膜48上淀积第2硅膜，通过平版印刷术和腐蚀加工形成第1遮光膜50。第1遮光膜50从读取晶体管104和复位晶体管108的栅电极20R和20RS上面开始覆盖信号检测部104D的大部分而延伸形成。通过这样形成第1遮光膜50，能够消除前面所示的实施方式和变形例1至4中存在的读取晶体管104或者复位晶体管108中的任一个栅电极20R或者20RS与第1遮光膜50之间的间隙，能够进一步提高信号检测部104D的被覆盖率。
<变形例6>
若提高第1遮光膜50对信号检测部104D的覆盖率，则能够省略在Al布线30的上方形成的第2遮光膜34。其一例示于图11A、11B内。图11A是平面布置图，图11b是说明断面结构的图。该例进一步改变了变形例5中说明的图10的结构。第1遮光膜50从读取晶体管104和复位晶体管108的栅电极20R和20RS上面开始覆盖信号检测部104D的大部分而延伸形成，但是并不仅限于该结构。在信号检测部104D中，不能连接形成接触销28和第1遮光膜50，所以，在接触区26的周围，具有不能够用第1遮光膜50覆盖的区域。若省略第2遮光膜34，则从未被该第1遮光膜50覆盖的接触区26的周围射入不希望的光，使信号检测部104D中存储的电荷发生变化。为了防止此现象，在本变形例中，减小接触区26周围的未被第1遮光膜50覆盖的部分，同时形成足够大的与接触销28相连接的Al布线30，这样来提高信号检测部104D的接触区26周围的遮光性。Al布线30也能够形成像覆盖整个第1遮光膜50上面的遮光膜那样大。根据本变形例，通过省略第2遮光膜34，能够简化制造工艺。
<第2实施方式>
第2实施方式如图12A、12B所示，是利用布线例如Al布线30来形成第1遮光膜50的一例。图12A是平面布置图，图12B是说明断面结构的图。读取晶体管104的漏极22(信号检测部104)上所连接的Al布线30，在读取晶体管104和复位晶体管108上可以形成大面积。在此情况下，能够利用Al布线30的第1遮光膜50覆盖整个信号检测部104。
<变形例7>
变形例7是组合第2实施方式和第1实施方式或者从变形例1至变形例6中的任一个来实施的例子。图13A、13B中示出组合第2实施方式和第1实施方式的情况的例子。如图所示，第1遮光膜50能够形成为由以下两种膜构成的双重结构，所述两种膜是：一是由栅电极材料膜形成的遮光膜50-1，二是由布线材料膜形成的遮光膜50-2。
在此，以栅电极20、Al布线30和第2遮光膜34的3层结构为例说明了本发明，但本发明也可适用于具有3层或3层以上的多层布线的半导体器件。在此，把栅电极20称为第1布线层，把Al布线30称为第2布线层，把第2遮光膜34称为第3布线层。第1布线层最好为多层布线的最下层的布线。可以由接近半导体衬底的多层布线下层的布线来形成。若第2布线层是除多层布线的最下层和最上层以外的中间层，则无论是哪一层均可。第3布线层只要是多层布线的上层即可，也可以是最上层。再者，第3布线层也可以利用除多层布线之外的在上层形成的遮光膜。本发明在信号检测区上的该第1、第2布线层上形成遮光膜。
如以上说明，根据本发明，则在临时存储上图像信息的信号检测部能够抑制来自邻接的构成要素例如栅电极的反射光的漏射，即混色，这样，能够提供实现了图像的同时性的固体摄像器件及其制造方法。
熟悉技术的人们很容易创造出附加优点和改进，所以，本发明涉及的范围很宽，不仅限于这里说明的详细内容和典型实施方式，因此，在不脱离权利要求书及其等效文件中的发明的精神或范围的情况下，本发明能够有各种变形。
Claims (20)
1、一种固体摄像器件，其特征在于，具有：
光信号存储区，设置在半导体衬底中；
信号检测区，设置在上述半导体衬底中，与上述光信号存储区隔离；
晶体管，将上述光信号存储区和上述信号检测区电连接；
布线，与上述信号检测区连接；以及
遮光膜，与上述信号检测区靠近设置，覆盖该信号检测区。
2、如权利要求1所述的固体摄像器件，其特征在于：还具有第2遮光膜，该第2遮光膜设置在上述布线的上方，具有与上述光信号存储区相对应的开口部。
3、如权利要求2所述的固体摄像器件，其特征在于：还具有第2晶体管，该第2晶体管排出上述信号检测区的图像信号，
上述遮光膜与上述晶体管或第2晶体管的栅电极形成一体。
4、如权利要求2所述的固体摄像器件，其特征在于：还具有第2晶体管，该第2晶体管排出上述信号检测区的图像信号，
上述遮光膜形成为覆盖上述信号检测区的上方和上述晶体管或第2晶体管的栅电极中的至少某一个的上方。
5、如权利要求2所述的固体摄像器件，其特征在于：上述遮光膜与上述布线形成一体。
6、如权利要求1所述的固体摄像器件，其特征在于，还具有第2晶体管，该第2晶体管排出上述信号检测区的图像信号，
上述遮光膜与上述晶体管或第2晶体管的栅电极形成一体。
7、如权利要求1所述的固体摄像器件，其特征在于，还具有第2晶体管，该第2晶体管排出上述信号检测区的图像信号，
上述遮光膜形成为覆盖上述信号检测区的上方和上述晶体管或第2晶体管的栅电极中的至少某一个的上方。
8、如权利要求1所述的固体摄像器件，其特征在于，上述遮光膜与上述布线形成一体。
9、如权利要求1所述的固体摄像器件，其特征在于，上述遮光膜还具有与上述晶体管的栅电极形成在同一层中的第1遮光层、以及与上述布线形成在同一层中的第2遮光层。
10、如权利要求1所述的固体摄像器件，其特征在于，上述遮光膜是硅膜、硅化物膜或者这些膜的层压膜中的任一种。
11、一种固体摄像器件的制造方法，其特征在于，具有以下步骤：
在半导体衬底中形成光信号存储区；
在上述半导体衬底中，与上述光信号存储区隔离形成信号检测区；
形成晶体管的源/漏极；
在上述半导体衬底上，隔着绝缘膜而形成导电性材料膜；
加工上述导电性材料膜，来形成将上述光信号存储区和上述信号检测区电连接的晶体管的栅电极；
形成覆盖上述信号检测区的遮光膜；
形成与上述信号检测区连接的布线。
12、如权利要求11所述的固体摄像器件的制造方法，其特征在于，还具有形成第2遮光膜的步骤，该第2遮光膜在上述布线的上方具有与上述光信号存储区相对应的开口部。
13、如权利要求12所述的固体摄像器件的制造方法，其特征在于，还具有这样的步骤，即，加工上述导电性材料膜，来形成排出上述信号检测区的图像信号的第2晶体管的栅电极，
上述遮光膜与上述晶体管或第2晶体管的栅电极形成一体。
14、如权利要求12所述的固体摄像器件的制造方法，其特征在于，还具有这样的步骤，即，加工上述导电性材料膜，来形成排出上述信号检测区的图像信号的第2晶体管的栅电极，
上述遮光膜形成为覆盖上述信号检测区的上方和上述晶体管或第2晶体管的栅电极中的至少某一个的上方。
15、如权利要求12所述的固体摄像器件的制造方法，其特征在于，
上述遮光膜与上述布线形成一体。
16、如权利要求15所述的固体摄像器件的制造方法，其特征在于：
还具有在与上述栅电极的同一层中形成第3遮光膜的步骤。
17、如权利要求11所述的固体摄像器件的晶体管，其特征在于，还具有这样的步骤，即，加工上述导电性材料膜，来形成排出上述信号检测区的图像信号的第2晶体管的栅电极，
上述遮光膜与上述晶体管或第2晶体管的栅电极形成一体。
18、如权利要求11所述的固体摄像器件的制造方法，其特征在于，还具有这样的步骤，即，加工上述导电性材料膜，来形成排出上述信号检测区的图像信号的第2晶体管的栅电极，
上述遮光膜形成为覆盖上述信号检测区的上方和上述晶体管或第2晶体管的栅电极中的至少某一个的上方。
19、如权利要求11所述的固体摄像器件的制造方法，其特征在于，上述遮光膜与上述布线形成一体。
20、如权利要求19所述的固体摄像器件的制造方法，其特征在于，还具有在上述栅电极的同一层中形成第3遮光膜的步骤。
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