專利名稱：固體成像裝置及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種固體成像裝置及其制造方法，尤其涉及具有縱型 傳輸柵的成像裝置及其制造方法。
背景技術(shù)：
近年來，作為在數(shù)碼相機和帶相才幾功能的手才幾上的應(yīng)用，小型相 機模塊的市場引人注目。隨著相機模塊的小型化，CCD、 CMOS圖像 傳感器等的成像元件也逐年微細(xì)化。但是，由于傳感器性能的提高與 微細(xì)化是背道而馳的，所以可以預(yù)見到微細(xì)化會越來越困難。作為微 細(xì)化與性能背道而馳的明顯例子，有光電二極管的平面面積的減少。 即，通過減少光電二極管的平面面積雖然可以微細(xì)化，但光電二極管 中存儲的電荷量減少。光電二極管中存儲的電荷量是決定傳感器性能 的重要因素之一，光電二極管中存儲的電荷量的減少降低了傳感器性 能。為了擴大光電二極管的面積，把一個像素內(nèi)的光電二極管以外的 部件例如傳輸柵電極微細(xì)化是關(guān)鍵。
在現(xiàn)有技術(shù)中，具有橫型傳輸柵電極的固體成像元件，在半導(dǎo)體 襯底上隔著柵絕緣膜形成傳輸柵電極。在半導(dǎo)體襯底中形成電荷存儲 區(qū)域、屏蔽層、電荷傳輸目的擴散層。通過光入射路徑入射的光在電 荷存儲區(qū)域中被光電變換而成為電氣信號。通過使傳輸柵電極接通，
中被讀出。由于電荷傳輸溝道相對于村底表面是水平的，所以稱為橫型傳輸。電荷的傳輸距離由傳輸柵電極的柵長決定。因此，為了確保 充分的調(diào)制度，必須有足夠的柵長，存在元件微細(xì)化變得困難的問題。 另外，為了成為橫型傳輸，電荷傳輸目的擴散層必須在傳輸柵電極的 與電荷存儲區(qū)域相反的一側(cè)形成，存在平面的像素面積的微細(xì)化變得 困難的問題。因此，期望有可以使像素面積微細(xì)化、且可以確保足夠 的調(diào)制度的固體成像裝置及其制造方法。
另外，作為相關(guān)技術(shù)，開發(fā)了為了提高光電變換部中的光的入射 效率，柵電極貫通村底而形成的固體成像裝置(例如參照日本特開
2007-96271號乂〉才艮)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，提供一種固體成像裝置，包括半導(dǎo) 體襯底；在上述半導(dǎo)體襯底內(nèi)埋入的第一導(dǎo)電類型的電荷存儲區(qū)域； 在上述半導(dǎo)體襯底的表面上形成的第一導(dǎo)電類型的擴散層；以及在上 述電荷存儲區(qū)域上形成的傳輸柵電極。
根據(jù)本發(fā)明的第二個方面，提供一種固體成像裝置的制造方法， 包括以下步驟在表面上具有第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體襯底 的上述第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層內(nèi)形成第二導(dǎo)電類型的阱區(qū)；在上述 第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層內(nèi)的上述第二導(dǎo)電類型的阱區(qū)內(nèi)形成溝槽； 在上述溝槽內(nèi)壁形成柵絕緣膜；在上述溝槽內(nèi)部埋入柵電極材料；以 及在上述第二導(dǎo)電類型的阱區(qū)表面上形成第一導(dǎo)電類型的擴散層。


圖l是示出根據(jù)實施方式i的固體成像裝置的剖面圖。
圖2~圖6是示出根據(jù)實施方式l的固體成像裝置的制造方法的剖面圖。
圖7~圖13是示出根據(jù)實施方式2的固體成像裝置的制造方法的
剖面圖。
圖14是示出實施方式2的固體成像裝置的變形例的剖面圖。圖15是示出實施方式1、 2的固體成像裝置的變形例的剖面圖。
具體實施例方式
下面，參照

本發(fā)明的實施方式。 (實施方式l)
圖l是示出根據(jù)實施方式l的具有縱型傳輸柵的固體成像裝置的 剖面圖。以下把固體成像裝置的一個像素也簡稱為成像元件。在例如 P型的半導(dǎo)體襯底11上，形成由例如N型的外延層構(gòu)成的電荷存儲區(qū) 域12。在該電荷存儲區(qū)域12上形成例如P型的阱區(qū)13。在電荷存儲 區(qū)域12和P型阱區(qū)13內(nèi)形成到達(dá)半導(dǎo)體襯底11的例如P型的擴散 層14。該P型擴散層14構(gòu)成把像素間分離的像素分離區(qū)域。
而且，在P型阱區(qū)13和P型擴散層14上形成例如珪氧化膜15。 在該硅氧化膜15、阱區(qū)13和電荷存儲區(qū)域12內(nèi)形成溝槽17。在電荷 存儲區(qū)域12內(nèi)的溝槽17底部周圍形成例如N型的擴散層(第2擴散 層)18，在溝槽17周圍在N型擴散層18內(nèi)形成例如P型的屏蔽層19。
另外，在溝槽17的內(nèi)壁形成柵絕緣膜20,隔著該柵絕緣膜20 把傳輸柵電極21埋入溝槽17中。在P型阱區(qū)13的表面區(qū)域在溝槽 17的周圍形成由例如N型的擴散層(第1擴散層)構(gòu)成的電荷傳輸目 的擴散層22。而且，在電荷存儲區(qū)域12的表面上形成P型屏蔽層23。 由在溝槽17底部形成的N型擴散層18、電荷傳輸目的擴散層22、柵 絕緣膜20和傳輸柵電極21形成N溝道MOS晶體管。另外，傳輸柵 電極21形成在構(gòu)成成像元件的電荷存儲區(qū)域12的從中央部向周邊部 偏離的位置上。
在上述構(gòu)成中，通過用箭頭A表示的光入射路徑入射的光在電荷 存儲區(qū)域12中被光電變換而成為電氣信號。在該狀態(tài)下，如果傳輸柵 電極21為高電平，則在P型阱區(qū)13內(nèi)的N型擴散層18和電荷傳輸 目的擴散層22之間形成電荷傳輸溝道。通過該電荷傳輸溝道，電荷存 儲區(qū)域12中存儲的電荷如圖中箭頭B所示的那樣在電荷傳輸目的擴 散層22中被讀出。由于電荷傳輸溝道相對于襯底表面是垂直地形成，所以該結(jié)構(gòu)稱為縱型傳輸。
下面，參照圖2~圖6說明根據(jù)實施方式1的固體成《象裝置的制造 方法(CMOS圖像傳感器制造工藝)。
如圖2所示，在例如P型(硅)半導(dǎo)體襯底11上形成N型外延 層12。該外延層12的N型雜質(zhì)濃度為例如1 x 1015 1 x 10"cnT3。通 過離子注入法向該外延層12的一部分導(dǎo)入P型雜質(zhì)，形成P型阱區(qū)
13。 雜質(zhì)的劑量為例如1 x 1012 1 x 10"cm3。
然后，如圖3所示，為了把成像元件之間分離，通過高加速離子 注入法導(dǎo)入例如P型雜質(zhì)，使其到達(dá)半導(dǎo)體襯底ll。由此形成擴散層
14。 該擴散層14的雜質(zhì)劑量為例如1 x 1011 1 x io13cm-3。該擴散層 14不限于離子注入法，也可以通過埋入P型擴散層來形成。
然后，如圖4所示，在整個表面上形成例如硅氧化膜15，在該硅 氧化膜15上形成硅氮化膜16。然后，用通常的光刻技術(shù)和RIE (反 應(yīng)離子蝕刻)技術(shù)形成貫通硅氮化膜16、硅氧化膜15、 P型阱區(qū)13 并到達(dá)N型外延層12的溝槽17。
然后，如圖5所示，在電荷存儲區(qū)域12內(nèi)在溝槽17的周圍形成 N型擴散層18，在N型擴散層18內(nèi)在溝槽17的周圍形成P型屏蔽層 19。 N型擴散層18的雜質(zhì)濃度設(shè)定成比電荷存儲區(qū)域12的雜質(zhì)濃度 高。即，電荷存儲區(qū)域12的雜質(zhì)濃度設(shè)定成在后述的傳輸柵電極的附 近比其它部分高。
N型擴散層18通過例如向溝槽17內(nèi)垂直注入N型雜質(zhì)離子，然 后用熱處理使注入的離子在電荷存儲區(qū)域12內(nèi)擴散而形成。另外，P 型屏蔽層19也可以通過例如在溝槽17的底部垂直注入P型雜質(zhì)離子， 然后用熱處理使該注入的離子在電荷存儲區(qū)域12內(nèi)擴散而形成。
作為別的制造方法，也可以通過在溝槽17的底部堆積例如包含 N型雜質(zhì)的硅酸鹽玻璃，然后用熱處理使N型雜質(zhì)從溝槽17的底部 和側(cè)壁向電荷存儲區(qū)域12內(nèi)固相擴散而形成。另外，P型屏蔽層19 也可以通過在溝槽17的底部堆積例如包含P型雜質(zhì)的硅酸鹽玻璃，然 后通過熱處理使該P型雜質(zhì)從溝槽17的底部和側(cè)壁向電荷存儲區(qū)域12內(nèi)固相擴散而形成。N型擴散層18的雜質(zhì)濃度為例如lxl0" lx1017cm-3。 P型屏蔽層19的雜質(zhì)濃度為例如1 x 1018 1 x 1019cm-3。
然后，如圖6所示，在溝槽17的內(nèi)壁形成柵絕緣膜20，堆積多晶硅層21a而填埋溝槽17。然后將硅氮化膜16作為阻止物通過例如CMP (化學(xué)機械拋光)把多晶硅層21a平坦化，形成傳輸柵電極21。
然后，除去硅氮化膜16后，向溝槽17周圍的P型阱區(qū)13內(nèi)導(dǎo)入例如N型雜質(zhì)，如圖l所示形成電荷傳輸目的擴散層22。 N型雜質(zhì)的劑量為例如1乂1015~1乂10 111-3。進(jìn)而，在電荷存儲區(qū)域12的表面上形成lxio" lxio"cm-3左右的P型屏蔽層23。
根據(jù)上述實施方式1，在電荷存儲區(qū)域12和電荷傳輸目的擴散層22之間設(shè)置縱型傳輸柵電極21。因此，能夠在電荷存儲區(qū)域12上方設(shè)置電荷傳輸目的擴散層22。因此，能夠減小像素的平面面積，能夠使像素微細(xì)化。
另外，由于在電荷存儲區(qū)域12和電荷傳輸目的擴散層22之間設(shè)置縱型傳輸柵電極21,從電荷存儲區(qū)域12到電荷傳輸目的擴散層22的電荷傳輸距離由作為縱型傳輸柵電極21的柵長的溝槽深度規(guī)定。因此，為了確保足夠的調(diào)制度，只要加大溝槽深度即可。因此，無須增大像素的平面面積，就能夠適當(dāng)?shù)卣{(diào)整傳輸柵的溝道長度，可以實現(xiàn)像素微細(xì)化和提高調(diào)制度這兩者。
另外，通過減小形成有縱型傳輸柵電極21的溝槽的截面面積，可以減小相對于電荷存儲區(qū)域12的面積的縱型傳輸柵電極21的面積。因此，可以不增大電荷存儲區(qū)域12的面積，而是相對地增大作為光接收部分的光電二極管，能夠提高傳感器性能。(實施方式2)
圖7~圖13示出本發(fā)明的實施方式2。在實施方式2中，對與實施方式l相同的部分賦予相同的附圖標(biāo)記，說明不同部分。實施方式2用例如SOI襯底形成固體成像裝置。圖7示出SOI襯底30。 SOI襯底30由半導(dǎo)體村底31、 BOX (埋入氧化物)層32、 SOI (硅在絕緣物上)層33構(gòu)成。SOI層33是P型晶體硅，其雜質(zhì)濃度為例如1 x io18~l x 10"cm-s左右。
然后，如圖8所示，在SOI層33上形成例如N型的外延層34。該外延層34的雜質(zhì)濃度為例如1 x 1015~1 x 10"cm-s左右。
然后，如圖9所示，用與實施方式1同樣的CMOS圖像傳感器制造工藝形成具有電荷存儲區(qū)域12、 P型阱區(qū)13、 P型的把像素間分離的擴散層14、溝槽17、 N型擴散層18、 P型屏蔽層19、柵絕緣膜20、傳輸柵電極21、電荷傳輸目的擴散層22的固體成像裝置。然后在襯底表面上形成未圖示的MOSFET等的周邊電路。
然后，如圖10所示，形成包含布線36等的層間絕緣膜和鈍化膜35。
然后，如圖ll所示，用貼合技術(shù)把支撐襯底37粘接到層間絕緣膜和鈍化膜35上。在此，支撐襯底37不一定非是半導(dǎo)體襯底，玻璃村底等那樣的只要是能夠支撐固體成像裝置的襯底就可以。
然后，如圖12所示，用研磨法或濕蝕刻法等除去構(gòu)成SOI襯底的半導(dǎo)體襯底31和BOX層32，露出SOI層33。
然后，如圖13所示，在SOI層33上至少在成像元件上的整個表面上形成防止反射膜38。在此，防止反射膜38可以是單層膜或?qū)盈B膜中的任意一種，通過適當(dāng)選擇折射率，可以提高成像元件的靈敏度。進(jìn)而，在防止反射膜38上形成濾色器39和孩i透鏡40。
在上述構(gòu)成中，通過用箭頭表示的光入射路徑入射的光透過^t透鏡40、濾色器39、防止反射膜38導(dǎo)入構(gòu)成光電二極管的電荷存儲區(qū)域12中，被變換成電氣信號。如果傳輸柵電極21為高電平，則電荷存儲區(qū)域12中存儲的電荷通過在P型阱區(qū)13中形成的傳輸溝道被傳輸?shù)诫姾蓚鬏斈康臄U散層22。
根據(jù)上述實施方式2，在具有傳輸柵電極21的固體成像裝置中，從電荷存儲區(qū)域12側(cè)入射光。因此，由于能夠使用電荷存儲區(qū)域12的整個表面作為光入射路徑，所以能夠增大作為光接收部分的光電二極管，能夠提高傳感器性能。
另外，由于能夠使用電荷存儲區(qū)域12的整個表面作為光入射路徑，所以傳輸柵電極21相對于電荷存儲區(qū)域12的形成位置的自由度能夠增加。即，在實施方式l中，傳輸柵電極21形成在電荷存儲區(qū)域12的從中央部偏離的位置上。
但是，根據(jù)實施方式2，如圖14所示，傳輸柵電極21可以在電荷存儲區(qū)域12的中央部形成。因此，可以更有效地利用電荷存儲區(qū)域12，通過把電荷存儲區(qū)域12微細(xì)化可以把像素進(jìn)一步孩史細(xì)化。(變形例)
圖15示出實施方式1、 2的變形例，對與實施方式1、 2相同的部分賦予相同的附圖標(biāo)記。
圖15所示的變形例示出了與實施方式1、 2相比，把P型阱區(qū)13的雜質(zhì)濃度設(shè)定得足夠高的情形。此時，可以省略N型擴散層18、P型屏蔽層19，在P型阱區(qū)13內(nèi)形成溝槽17。在該變形例的情況下，由于能夠省略N型擴散層18、 P型屏蔽層19，所以能夠進(jìn)一步地增大作為光接收部分的光電二極管，能夠提高傳感器性能。
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將會很容易地想到其它優(yōu)點和變更。所以本發(fā)明在更廣的意義上并不限于這里示出和描述的特定細(xì)節(jié)和代表性實施方式。因此，在不脫離由后附權(quán)利要求及其等同物限定的本發(fā)明的主要發(fā)明構(gòu)思的精神或范圍的前提下，可以進(jìn)行種種變更。
權(quán)利要求
1.一種固體成像裝置，包括半導(dǎo)體襯底；在上述半導(dǎo)體襯底內(nèi)埋入的第一導(dǎo)電類型的電荷存儲區(qū)域；在上述半導(dǎo)體襯底的表面上形成的第一導(dǎo)電類型的擴散層；以及在上述電荷存儲區(qū)域上形成的傳輸柵電極。
2. 如權(quán)利要求l所述的固體成像裝置，還包括 在上述半導(dǎo)體襯底內(nèi)形成的、底部到達(dá)上述電荷存儲區(qū)域的溝槽，且上述傳輸柵電極在上述溝槽的內(nèi)部形成。
3. 如權(quán)利要求2所述的固體成像裝置，還包括 在上述電荷存儲區(qū)域和上述傳輸柵電極之間設(shè)置的第二導(dǎo)電類型的屏蔽層。
4. 如權(quán)利要求3所述的固體成像裝置，其特征在于 上述第一導(dǎo)電類型的電荷存儲區(qū)域在上述傳輸柵電極附近的濃度比其它區(qū)域高。
5. 如權(quán)利要求4所述的固體成像裝置，其特征在于 上述溝槽在上述電荷存儲區(qū)域的從中央部偏離的位置上形成。
6. 如權(quán)利要求4所述的固體成像裝置，其特征在于 上述溝槽在上述電荷存儲區(qū)域的中央部形成。
7. 如權(quán)利要求6所述的固體成像裝置，其特征在于 上述半導(dǎo)體襯底的表面是光接收面。
8. 如權(quán)利要求6所述的固體成像裝置，其特征在于 上述半導(dǎo)體襯底的背面是光接收面。
9. 一種固體成像裝置的制造方法，包括以下步驟 在表面上具有第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體襯底的上述第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層內(nèi)形成第二導(dǎo)電類型的阱區(qū)；在上述第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層內(nèi)的上述第二導(dǎo)電類型的阱區(qū)內(nèi)形成溝槽； >在上述溝槽內(nèi)壁上形成柵絕緣膜； 在上述溝槽內(nèi)部埋入柵電極材料；以及在上述第二導(dǎo)電類型的阱區(qū)表面上形成第一導(dǎo)電類型的第一擴散層。
10. 如權(quán)利要求9所述的固體成像裝置的制造方法，還包括 在形成上述柵絕緣膜之前，在上述第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層內(nèi)，在上述溝槽的周圍形成第一導(dǎo)電類型的第二擴散層；以及在上述第一導(dǎo)電類型的第二擴散層內(nèi)，在上述溝槽的周圍形成第 二導(dǎo)電類型的屏蔽層。
11. 如權(quán)利要求10所述的固體成像裝置的制造方法，其特征在于 上述第一導(dǎo)電類型的第二擴散層的雜質(zhì)濃度比上述第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層的雜質(zhì)濃度高。
12. 如權(quán)利要求11所述的固體成像裝置的制造方法，其特征在于 上述溝槽在作為電荷存儲區(qū)域的上述第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層的從中央部偏離的位置上形成。
13. 如權(quán)利要求ll所述的固體成像裝置的制造方法，其特征在于 上述溝槽在作為電荷存儲區(qū)域的上述第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層的中央部形成。
14. 如權(quán)利要求ll所述的固體成像裝置的制造方法，其特征在于 上述半導(dǎo)體襯底的表面是光接收面。
15. 如權(quán)利要求11所述的固體成像裝置的制造方法，其特征在于 上述半導(dǎo)體襯底的背面是光接收面。
全文摘要
提供一種固體成像裝置及其制造方法，在半導(dǎo)體襯底中埋入第一導(dǎo)電類型的電荷存儲區(qū)域。在半導(dǎo)體襯底的表面上形成第一導(dǎo)電類型的電荷傳輸目的擴散層，在電荷存儲區(qū)域上形成傳輸柵電極，從電荷存儲區(qū)域向電荷傳輸目的擴散層傳輸電荷。
文檔編號H01L27/146GK101640214SQ200910165539
公開日2010年2月3日 申請日期2009年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月31日
發(fā)明者幸山裕亮 申請人:株式會社東芝