專利名稱：Mos型固體攝象裝置及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及MOS型固體攝象裝置的器件(device)構造，特別是涉及可以在具有由于柵極長度(溝道長度)短、柵極氧化膜薄，穿通成為問題的那樣的MOS晶體管的MOS型固體攝象裝置中使用的器件構造。


圖10示出了MOS型固體攝象裝置的一個象素部分的電路構成。
象素由用來把光信號變換成電信號(電荷)的光電二極管(photo-diode)21、用來把光電二極管21的電荷傳送至檢測部分(檢測節(jié)點(node))D的讀出門電路22、用來使檢測部分D的電荷(電位)復位(reset)的復位門電路23、放大檢測部分D的電位的放大門電路24和用來輸出被選象素的電位的選擇門電路25構成。
在光電二極管21中在一定期間內進行光電變換，而且把存儲在信號存儲區(qū)域中的電荷，經由傳送門電路22傳送至檢測部分D。從光電二極管傳送至檢測部分D的電荷，使檢測部分D的電位變化。放大門電路24，由于放大該檢測部分D的電位變化，故放大后的信號電位可以從象素輸出。
在這里，在MOS型固體攝象裝置中，以把存儲在光電二極管(光電變換部分)21的信號存儲區(qū)域內的全部電荷完全傳送給檢測部分D，以及使整個象素內的光電二極管21的特性穩(wěn)定等為目的，要求半導體襯底(或阱(well)區(qū)域)的雜質濃度形成得低。
但是，在半導體襯底(或阱(well)區(qū)域)的雜質濃度低的情況下，當由于象素容量的增大(象素的高密度化)MOS晶體管做成微細化，結果是，MOS晶體管的長度(溝道長度)縮短，而且，柵極氧化膜變薄時，就會與柵極控制無關地發(fā)生電荷從MOS晶體管的源極向漏極流的穿通現(xiàn)象。
當發(fā)生該穿通時，結果是不需要的信號(電荷)在MOS晶體管內流動，成為不能確保固體攝象裝置的正常動作。
于是，必須防止穿通。以往，在邏輯(logic)產品中，為了防止該穿通，在半導體襯底的內部(距表面足夠深的位置)上設置有穿通防止區(qū)域。
穿通防止區(qū)域，由于是為了防止MOS晶體管的源和漏間的漏泄電流的區(qū)域，故通常，在半導體襯底為p型，MOS晶體管的源和漏為n型的情況下，穿通防止區(qū)域將成為p型。這樣一來，這樣的穿通防止區(qū)域，對于邏輯產品來說，就成了對于穿通防止非常有效的手段。
但是，在MOS型固體攝象裝置中，必須在半導體襯底的內部(距表面足夠深的位置)形成光電二極管。由于光電二極管，例如，由p型半導體襯底和n型信號存儲區(qū)域(雜質區(qū)域)構成，故必須在半導體襯底的內部(距表面足夠深的位置)形成該信號存儲區(qū)域。
在該情況下，如果想在半導體襯底內形成穿通防止區(qū)域，則構成光電二極管的信號存儲區(qū)域的雜質(例如磷(phosphorous))的導電類型(例如，n型)和構成穿通防止區(qū)域的雜質(例如，硼(boron))的導電類型(例如，p型)將成為互逆。而且，如上所述，這些信號存儲區(qū)域和穿通防止區(qū)域，在半導體襯底的內部的大體上同一位置(距表面足夠深的位置)上形成。
因此，當要把穿通防止區(qū)域應用到MOS型固體攝象裝置中去時，通常，由于結果成為在形成了穿通防止區(qū)域之后，再在穿通防止區(qū)域內形成信號存儲區(qū)域，故在形成信號存儲區(qū)域時，為了使穿通防止區(qū)域的導電類型(例如，p型)反轉，就必須注入足夠的量的雜質(例如，n型雜質)。
但是，如上所述，在在穿通防止區(qū)域內形成光電二極管的信號存儲區(qū)域的情況下，為使穿通防止區(qū)域的導電類型(例如，p型)反轉，必須注入足夠的量的雜質(例如n型雜質)，就算是簡單地估算，也需要向半導體襯底內注入比穿通防止區(qū)域的p型雜質濃度還高的雜質濃度的n型雜質。
在該情況下，當考慮到p型雜質所產生的影響和n型雜質所產生的影響彼此抵消這一點時，光電二極管的信號存儲區(qū)域的雜質濃度，粗略地說將等于從借助于離子注入向半導體襯底內注入的n型雜質量dn中減去構成穿通防止區(qū)域的p型雜質的雜質濃度dp的值(dn-dp)。
但是，借助于離子注入向半導體襯底內注入的n型雜質量dn和構成穿通防止區(qū)域的p型雜質的雜質濃度dp，都是比較大的數(shù)值。即，由于在想從大的數(shù)值減去大的數(shù)值來得到小的數(shù)值的情況下，大的數(shù)值的小的變動將會成為小的數(shù)值的大的變動，故在把穿通防止區(qū)域應用到MOS型固體攝象裝置中去的情況下，要把光電二極管的信號存儲區(qū)域的雜質濃度形成得低而且穩(wěn)定地得到該雜質濃度，是非常困難的。
結局是，借助于離子注入向半導體襯底內注入的n型雜質的雜質濃度的小的變動將成為光電二極管的信號存儲區(qū)域的雜質濃度的大的變動，伴隨于此，光電二極管的耗盡化電位變動得也大，成為不再可能穩(wěn)定地讀出信號存儲區(qū)域的電荷。
如上所述，在MOS型固體攝象裝置中，起因于象素容量的增大(象素的高密度化)，MOS晶體管的柵極長度變短，柵極氧化膜的厚度變薄，穿通就成了問題。另一方面，粗略地說，僅僅把在邏輯產品等中已經實用化的穿通防止區(qū)域應用到MOS型固體攝象裝置中去，歸因于光電二極管的信號存儲區(qū)域的存在而變得非常困難。
其理由如下為了確實地進行電荷的傳送，理想的是使光電二極管的信號存儲區(qū)域的雜質濃度低而穩(wěn)定，使光電二極管的耗盡化電位低而穩(wěn)定。但是，當設置穿通防止區(qū)域時，由于必須使該穿通防止區(qū)域的導電類型反轉形成信號存儲區(qū)域，因而不能以低雜質濃度且穩(wěn)定地形成信號存儲區(qū)域。
就是說，在現(xiàn)有的MOS型固體攝象裝置中，在MOS晶體管微細化，穿通成為問題之類的情況下，當為了防止穿通而設置穿通防止區(qū)域時，由于使光電二極管的耗盡化電位低而穩(wěn)定是困難的，故不能穩(wěn)定地制造具有均一的電荷傳送能力的MOS型固體攝象裝置。
本發(fā)明就是為解決上述缺點而作出的，其目的在于提出可以以低雜質濃度且穩(wěn)定地形成光電二極管的信號存儲區(qū)域，同時，即便是MOS晶體管微細化，也可以防止穿通的MOS型固體攝象裝置及其制造方法的方案。
(1)本發(fā)明的MOS固體攝象裝置，具備在第1導電類型的半導體襯底內形成的光電變換器件；在上述半導體襯底的第1器件區(qū)域內形成的，用來讀出由上述光電變換器件產生的電荷的第2導電類型的第1MOS晶體管；以及在上述半導體襯底的第2器件區(qū)域內形成的第2導電類型的第2MOS晶體管，并在整個上述第2器件區(qū)域上設置用來防止穿通的第1穿通防止區(qū)域。
本發(fā)明的MOS型固體攝象裝置，還具備把上述第1和第2器件區(qū)域包圍起來的絕緣隔離層，在上述絕緣隔離層的正下邊也設置上述穿通防止區(qū)域。
上述穿通防止區(qū)域，在上述第1器件區(qū)域的周邊部分內沿著上述絕緣隔離層設置。
從上述絕緣隔離層到上述第1器件區(qū)域內的上述穿通防止區(qū)域的邊緣為止的寬度，確保在形成上述穿通防止區(qū)域時使用的掩模構件的套刻偏差以上。上述寬度，例如被設定為0.2微米以上。
上述第2器件區(qū)域中的上述穿通防止區(qū)域的位置，比上述絕緣隔離層的正下邊的上述穿通防止區(qū)域的位置還深。
本發(fā)明的MOS型固體攝象裝置，具有多個象素，各個象素具有上述光電變換器件、上述第1MOS晶體管和上述第2MOS晶體管。
上述光電變換器件，在上述第1器件區(qū)域內形成，上述第1MOS晶體管的源極成為上述光電變換器件的第2導電類型的信號存儲區(qū)域。
本發(fā)明的MOS型固體攝象裝置，還具備在上述第1MOS晶體管的漏極的正下邊形成的第1導電類型的穿通阻擋層。
上述穿通防止區(qū)域設置在上述第1MOS晶體管的漏極的正下邊。此外，上述穿通防止區(qū)域把上述第1MOS晶體管的漏極和溝道的一部分覆蓋起來。
上述光電變換器件，由上述半導體襯底和上述信號存儲區(qū)域構成，在上述信號存儲區(qū)域的正下邊不設置上述穿通防止區(qū)域。
上述穿通防止區(qū)域與上述信號存儲區(qū)域鄰接。
上述第2器件區(qū)域中的上述穿通防止區(qū)域的深度被設定為在例如0.2微米以上0.4微米以下。
上述第1和第2MOS晶體管的柵極長度被設定為例如在0.2微米以上0.4微米以下，柵極氧化膜的厚度被設定為在例如10nm以下。
(2)本發(fā)明的MOS型固體攝象裝置的制造方法，具備下述工序在第1導電類型的半導體襯底上邊形成絕緣隔離層，形成被上述絕緣隔離層包圍起來的第1和第2器件區(qū)域的工序；用離子注入法向上述半導體襯底內注入第1導電類型的雜質，至少在上述絕緣隔離層的正下邊和整個上述第2器件區(qū)域內形成用來防止穿通的第1導電類型的穿通防止區(qū)域的工序；在上述第1器件區(qū)域內，形成光電變換器件和用來讀出由上述光電變換器件產生的電荷的第1MOS晶體管，同時，在上述第2器件區(qū)域內形成第2MOS晶體管的工序。
上述雜質，以穿透上述絕緣隔離層那樣的加速能量和劑量注入到上述半導體襯底內。
上述雜質，原樣地使用決定上述第2MOS晶體管的閾值的溝道離子注入時的掩模，注入到上述半導體襯底內。
上述雜質，以覆蓋上述第1器件區(qū)域上邊的一部分的光刻膠層為掩模，注入到上述半導體襯底內。
上述光刻膠層，在既是比至少從上述絕緣隔離層進入上述第1器件區(qū)域僅僅一定寬度的位置還往內側的區(qū)域，又是上述光電變換器件的第2導電類型的信號存儲區(qū)域的上邊形成。
上述雜質也注入到上述第1器件區(qū)域內的一部分內。
附圖的簡單說明圖1的剖面圖示出了本發(fā)明的實施形態(tài)1的MOS型固體攝象裝置。
圖2的剖面圖示出了本發(fā)明的實施形態(tài)2的MOS型固體攝象裝置。
圖3的剖面圖示出了本發(fā)明的實施形態(tài)3的MOS型固體攝象裝置。
圖4的剖面圖示出了本發(fā)明的MOS型固體攝象裝置的制造方法的一個工序。
圖5的剖面圖示出了本發(fā)明的MOS型固體攝象裝置的制造方法的一個工序。
圖6的剖面圖示出了本發(fā)明的MOS型固體攝象裝置的制造方法的一個工序。
圖7的剖面圖示出了本發(fā)明的MOS型固體攝象裝置的制造方法的一個工序。
圖8的剖面圖示出了本發(fā)明的MOS型固體攝象裝置的制造方法的一個工序。
圖9的剖面圖示出了本發(fā)明的MOS型固體攝象裝置的制造方法的一個工序。
圖10的電路圖示出了MOS型固體攝象裝置的象素。
以下，邊參看附圖邊對本發(fā)明的MOS型固體攝象裝置及其制造方法詳細地進行說明。圖1示出了本發(fā)明的實施形態(tài)1的MOS固體攝象裝置的器件構造。
p型半導體襯底1，具有低的雜質濃度，例如，1×1015atoms/cm3。半導體襯底1，成為光電二極管的陽極(anode)，例如，半導體襯底1，被設定為接地電位。但是，也可以在半導體襯底1內形成p型阱區(qū)域，使該p型阱區(qū)域成為光電二極管的陽極。在該情況下，p型阱區(qū)域的雜質濃度，例如，可以設定為1×1015atoms/cm3。
在半導體襯底1上邊，配置使器件彼此間電隔離的絕緣隔離層10。在本例中，絕緣隔離層10，例如，由用LOCOS(Local Oxidation ofSilicon，硅局部氧化)法形成的場(field)氧化膜構成，但是，也可以代之以使用用STI(Shallow Trench Isolation，淺溝隔離)法形成的氧化膜。
被絕緣隔離層10包圍起來的器件區(qū)域A，例如，成為形成圖10所示的光電二極管21和傳送門電路22的區(qū)域。被絕緣隔離層10包圍起來的器件區(qū)域B，例如，成為形成圖10所示的復位門電路23、放大門電路24、選擇門電路25等的器件(光電二極管21和讀出門電路22以外的器件)的區(qū)域。
在器件區(qū)域A中，在半導體襯底1的內部(距表面足夠深的位置)配置n-型信號存儲區(qū)域2。此外，在本例中，n-型信號存儲區(qū)域2直接在半導體襯底1內部形成而不是在p+型穿通防止區(qū)域6內形成。在n-型信號存儲區(qū)域2內配置p++型表面屏蔽層3。
此外，在器件區(qū)域A中，在既是半導體襯底1的內部(距表面足夠深的位置)，又是與配置n-型信號存儲區(qū)域的部分不同的部分上，配置p+型穿通阻擋層5。在p+型穿通阻擋層5內，配置n型第1半導體區(qū)域4。
n-型信號存儲區(qū)域2和n型第1半導體區(qū)域4之間的p型讀出溝道區(qū)域9上邊，經由例如由SiO2構成的柵極氧化膜7，配置讀出柵極電極8。讀出柵極電極8，例如由含有n型雜質的導電性多晶硅(polysilicon)膜構成。讀出柵極電極8，是圖10的讀出門電路22的柵極電極。
在器件區(qū)域B中，在半導體襯底1的內部(距表面足夠深的位置)配置用來防止穿通的p+型穿通防止區(qū)域6。p+型穿通防止區(qū)域6配置在整個器件區(qū)域B上。在p+型穿通防止區(qū)域6內，配置n型第2半導體區(qū)域11和n型第3半導體區(qū)域12。
在n型第2半導體區(qū)域11和n型第3半導體區(qū)域12之間的p型溝道區(qū)域13上邊，經由例如由SiO2構成的柵極氧化膜7配置柵極電極14。柵極電極14例如，由含有n型雜質的導電性多晶硅膜構成。柵極電極14，例如，將成為圖10的復位門電路23、放大門電路24、選擇門電路25等的MOS晶體管的柵極電極。
上述MOS型固體攝象裝置的器件構造的特征在于第1，在n-型信號存儲區(qū)域2的正下邊不形成p+型穿通防止區(qū)域6。即，在本發(fā)明中，由于n-型信號存儲區(qū)域2直接在半導體襯底1內形成，不在p+型穿通防止區(qū)域6內形成，故可以以低的雜質濃度而且穩(wěn)定地形成n-型信號存儲區(qū)域2。
具體地說，半導體襯底1的雜質濃度(例如，硼濃度)，如上所述，被設定為1×1015atoms/cm3，p+型穿通防止區(qū)域6的雜質濃度(例如硼濃度)例如，被設定為1×1017atoms/cm3。
就是說，在本發(fā)明中，由于結果成為在具有比p+型穿通防止區(qū)域6的雜質濃度還小2個數(shù)量級的雜質濃度的半導體襯底1內，形成n-型信號存儲區(qū)域2，故可以把n型雜質的離子注入的劑量設定得低，作為結果成為可以以低的雜質濃度而且穩(wěn)定地形成n-型信號存儲區(qū)域2。
第2，雖然p+型穿通防止區(qū)域6在絕緣隔離層10的正下邊和整個器件區(qū)域B上形成，但是在器件區(qū)域A中，卻僅僅在n型第1半導體區(qū)域4的正下邊才形成p+型穿通阻擋層5。就是說，n型第1半導體區(qū)域4是要成為圖10所示的檢測部分(檢測節(jié)點)D的區(qū)域，沒有必要象n-型信號存儲區(qū)域2那樣把其雜質濃度設定得那么低。
因此，必須在n型第1半導體區(qū)域4的正下邊，形成p+型穿通阻擋層5，防止在例如n型第1半導體區(qū)域4與別的n型半導體區(qū)域之間產生的穿通。
另外，p+型穿通防止區(qū)域6必須確實地在絕緣隔離層10的正下邊形成。因為這樣將有效地防止把絕緣隔離層10夾在中間的2個半導體區(qū)域間的穿通。
為此，p+型穿通防止區(qū)域6，例如，可以用規(guī)定的加速能量和規(guī)定的劑量的離子注入法，在形成了絕緣隔離層10之后，形成柵極電極8、14之前形成。如果把這時的離子注入的條件設定為雜質(例如，硼(boron))穿透絕緣隔離層10那樣的條件，則如圖1所示，在不存在絕緣隔離層10的器件區(qū)域B中，雜質就會一直到達半導體襯底1的深的位置，在距半導體襯底1的表面足夠深的位置上形成p+型穿通防止區(qū)域6。
另外，在圖1中，柵極氧化膜7的厚度，例如，被設定為8nm左右，柵極電極14的長度(溝道長度)例如，被設定為0.4微米左右。此外，p++型表面屏蔽層3的雜質濃度，例如，被設定為1×1018atoms/cm3左右，p+型穿通阻擋層(punch-through stopper)5和p+型穿通防止區(qū)域6的雜質濃度，例如，都被設定為1×1017atoms/cm3左右。
如上所述，倘采用本發(fā)明的實施形態(tài)1的MOS型固體攝象裝置，則在可以以低的雜質濃度而且穩(wěn)定地形成光電二極管的信號存儲區(qū)域的同時，即便是使MOS晶體管微細化，也可以防止穿通。本實施形態(tài)的MOS型固體攝象裝置，在p+型穿通防止區(qū)域6方面具有特征。
在上邊所說的實施形態(tài)1的MOS型固體攝象裝置的情況下，在讀出門電路(器件區(qū)域A的MOS晶體管)的源極一側，形成光電二極管，在其漏極一側配置作為檢測部分(檢測節(jié)點)D的n型第1半導體區(qū)域4。在該n型第1半導體區(qū)域4的正下邊，與p+型穿通防止區(qū)域6分開地形成p+型穿通阻擋層5。
但是，p+型穿通阻擋層5和p+型穿通防止區(qū)域6彼此目的相同(防止穿通)，而且，彼此用同一雜質濃度形成。因此，不言而喻也可以在n型第1半導體區(qū)域4的正下邊形成p+型穿通防止區(qū)域6而不是形成p+型穿通阻擋層5。
于是，在本實施形態(tài)中，在n型第1半導體區(qū)域4的正下邊也形成p+型穿通防止區(qū)域6。結果是在本實施形態(tài)中不再需要p+型穿通阻擋層5，由此可以得到簡化制造工藝的效果。
以下對本實施形態(tài)的MOS型固體攝象裝置進行說明。
圖2示出了本發(fā)明的實施形態(tài)的MOS型固體攝象裝置的器件構造。
p型半導體襯底1，具有低的雜質濃度，例如，1×1015atoms/cm3。半導體襯底1成為光電二極管的陽極，例如，半導體襯底1被設定為接地電位。但是，也可以在半導體襯底1內形成p型阱區(qū)域，使該p型阱區(qū)域成為光電二極管的陽極。在該情況下，p型阱區(qū)域的雜質濃度，例如，可以設定為1×1015atoms/cm3。
在半導體襯底1上邊，配置使器件彼此間電隔離的絕緣隔離層10。在本例中，絕緣隔離層10，例如，由用LOCOS(Local Oxidation ofSilicon，硅局部氧化)法形成的場氧化膜構成，但是，也可以代之以使用用STI(Shallow Trench Isolation，淺溝隔離)法形成的氧化膜。
被絕緣隔離層10包圍起來的器件區(qū)域A，例如，成為形成圖10所示的光電二極管21和傳送門電路22的區(qū)域。被絕緣隔離層10包圍起來的器件區(qū)域B，例如，成為形成圖10所示的復位門電路23、放大門電路24、選擇門電路25等的器件(光電二極管21和讀出門電路22以外的器件)的區(qū)域。
在器件區(qū)域A中，在半導體襯底1的內部(距表面足夠深的位置)上配置n-型信號存儲區(qū)域2。此外，在本例中，n-型信號存儲區(qū)域2直接在半導體襯底1內部形成而不是在p+型穿通防止區(qū)域6內形成。在n-型信號存儲區(qū)域2內配置p++型表面屏蔽層3。
此外，在器件區(qū)域A中，在既是半導體襯底1的內部(距表面足夠深的位置)，又是與配置n-型信號存儲區(qū)域的部分不同的部分上，配置p+型穿通防止區(qū)域6。在配置p+型穿通阻防止區(qū)域6內，配置n型第1半導體區(qū)域4。
n-型信號存儲區(qū)域2和n型第1半導體區(qū)域4之間的p型讀出溝道區(qū)域9上邊，經由例如由SiO2構成的柵極氧化膜7，配置讀出柵極電極8。讀出柵極電極8，例如由含有n型雜質的導電性多晶硅膜構成。讀出柵極電極8，是圖10的讀出門電路22的柵極電極。
在器件區(qū)域B中，在半導體襯底1的內部(距表面足夠深的位置)配置用來防止穿通的p+型穿通防止區(qū)域6。p+型穿通防止區(qū)域6配置在整個器件區(qū)域B上。在p+型穿通防止區(qū)域6內，配置n型第2半導體區(qū)域11和n型第3半導體區(qū)域12。
在n型第2半導體區(qū)域11和n型第3半導體區(qū)域12之間的p型溝道區(qū)域13上邊，經由例如由SiO2構成的柵極氧化膜7配置柵極電極14。柵極電極14例如，由含有n型雜質的導電性多晶硅膜構成。柵極電極14，例如，將成為圖10的復位門電路23、放大門電路24、選擇門電路25等的MOS晶體管的柵極電極。
在上述MOS型固體攝象裝置的器件構造中，也與上邊所說的實施形態(tài)1的MOS型固體攝象裝置同樣，在n-型信號存儲區(qū)域2的正下邊不形成p+型穿通防止區(qū)域6。即，在本發(fā)明中，由于n-型信號存儲區(qū)域2直接在半導體襯底1內形成而不在p+型穿通防止區(qū)域6內形成，故可以以低的雜質濃度而且穩(wěn)定地形成n-型信號存儲區(qū)域2。
具體地說，半導體襯底1的雜質濃度(例如，硼濃度)，如上所述，被設定為1×1015atoms/cm3，p+型穿通防止區(qū)域6的雜質濃度(例如硼濃度)例如，被設定為1×1017atoms/cm3。
就是說，在本發(fā)明中，由于結果成為在具有比p+型穿通防止區(qū)域6的雜質濃度還小2個數(shù)量級的雜質濃度的半導體襯底1內，形成n-型信號存儲區(qū)域2，故可以把n型雜質的離子注入的劑量設定得低，作為結果，成為可以以低的雜質濃度而且穩(wěn)定地形成n-型信號存儲區(qū)域2。
另外，必須在絕緣隔離層10的正下邊確實地形成p+型穿通防止區(qū)域6。因為這樣會有效地防止把絕緣隔離層10夾在中間的n型半導體區(qū)域間的穿通。
為此，p+型穿通防止區(qū)域6，例如，可以用規(guī)定的加速能量和規(guī)定的劑量的離子注入法，在形成了絕緣隔離層10之后，形成柵極電極8、14之前形成。如果把這時的離子注入的條件設定為雜質(例如，硼(boron))穿透絕緣隔離層10那樣的條件，則如圖2所示，在不存在絕緣隔離層10的器件區(qū)域B中，雜質就會一直達到半導體襯底1的深的位置，在距半導體襯底1的表面足夠深的位置上形成p+型穿通防止區(qū)域6。
另外，在圖2中，柵極氧化膜7的厚度，例如被設定為8nm左右，柵極電極14的長度(溝道長度)例如，被設定為0.4微米左右。此外，p++型表面屏蔽層3的雜質濃度，例如，被設定為1×1018atoms/cm3左右，p+型穿通阻擋層5和p+型穿通防止區(qū)域6的雜質濃度，例如，都被設定為1×1017atoms/cm3左右。
如上所述，倘采用本發(fā)明的實施形態(tài)2的MOS型固體攝象裝置，則在可以以低的雜質濃度而且穩(wěn)定地形成光電二極管的信號存儲區(qū)域的同時，即便是MOS晶體管已微細化，也可以防止穿通。本實施形態(tài)的MOS型固體攝象裝置也是在p+型穿通防止區(qū)域6方面具有特征。
在上邊所說是實施形態(tài)2的MOS型固體攝象裝置中，在讀出門電路(器件區(qū)域A的MOS晶體管)的漏極一側的n型第1半導體區(qū)域4的正下邊，也形成p+型穿通防止區(qū)域6。
對此，在本實施形態(tài)中，p+型穿通防止區(qū)域6，在器件區(qū)域A中被形成為不僅是把n型第1半導體區(qū)域4的正下邊，還把讀出門電路(MOS晶體管)的讀出柵極電極8的正下邊的溝道的一部分覆蓋起來，如上所述，在n型第1半導體區(qū)域4的正下邊和讀出門電路的溝道的一部分上形成p+型穿通防止區(qū)域6，僅僅使離子注入時的掩模圖形(mask pattern)變形的辦法就可以容易地實現(xiàn)。
以下，對本實施形態(tài)的MOS型固體攝象裝置進行說明。
圖3示出了本發(fā)明的的實施形態(tài)3的MOS型固體攝象裝置的器件構造。
p型半導體襯底1，具有低的雜質濃度，例如，1×1015atoms/cm3。半導體襯底1，成為光電二極管的陽極，例如，半導體襯底1，被設定為接地電位。但是，也可以在半導體襯底1內形成p型阱區(qū)域，使該p型阱區(qū)域成為光電二極管的陽極。在該情況下，p型阱區(qū)域的雜質濃度，例如，可以設定為1×1015atoms/cm3。
在半導體襯底1上邊，配置使器件彼此間電隔離的絕緣隔離層10。在本例中，絕緣隔離層10，例如，由用LOCOS(Local Oxidation ofSilicon，硅局部氧化)法形成的場氧化膜構成，但是，也可以代之以使用用STI(Shallow Trench Isolation，淺溝隔離)法形成的氧化膜。
被絕緣隔離層10包圍起來的器件區(qū)域A，例如，成為形成圖10所示的光電二極管21和傳送門電路22的區(qū)域。被絕緣隔離層10包圍起來的器件區(qū)域B，例如，成為形成圖10所示的復位門電路23、放大門電路24、選擇門電路25等的器件(光電二極管21和讀出門電路22以外的器件)的區(qū)域。
在器件區(qū)域A中，在半導體襯底1的內部(距表面足夠深的位置)上配置n-型信號存儲區(qū)域2。此外，在本例中，n-型信號存儲區(qū)域2直接在半導體襯底1內部形成而不是在p+型穿通防止區(qū)域6內形成。在n-型信號存儲區(qū)域2內配置p++型表面屏蔽層3。
此外，在器件區(qū)域A中，在既是半導體襯底1的內部(距表面足夠深的位置)，又是與配置n-型信號存儲區(qū)域的部分不同的部分(含有讀出門電路的讀出溝道區(qū)域9)上，配置p+型穿通防止區(qū)域6。在p+型穿通防止區(qū)域6內，配置n型第1半導體區(qū)域4。
在n-型信號存儲區(qū)域2和n型第1半導體區(qū)域4之間的p型讀出溝道區(qū)域9上邊，經由例如由SiO2構成的柵極氧化膜7，配置讀出柵極電極8。讀出柵極電極8，例如，由含有n型雜質的導電性多晶硅膜構成。讀出柵極電極8，是圖10的讀出門電路22的柵極電極。
在器件區(qū)域B中，在半導體襯底1的內部(距表面足夠深的位置)，配置用來防止穿通的p+型穿通防止區(qū)域6。p+型穿通防止區(qū)域6配置在整個器件區(qū)域B上。在p+型穿通防止區(qū)域6內，配置n型第2半導體區(qū)域11和n型第3半導體區(qū)域12。
在n型第2半導體區(qū)域11和n型第3半導體區(qū)域12之間的p型溝道區(qū)域13上邊，經由例如由SiO2構成的柵極氧化膜7配置柵極電極14。柵極電極14例如，由含有n型雜質的導電性多晶硅膜構成。柵極電極14，例如，將成為圖10的復位門電路23、放大門電路24、選擇門電路25等的MOS晶體管的柵極電極。
在上述MOS型固體攝象裝置的器件構造中，也與上邊所說的實施形態(tài)1的MOS型固體攝象裝置同樣，在n-型信號存儲區(qū)域2的正下邊不形成p+型穿通防止區(qū)域6。即，在本發(fā)明中，由于n-型信號存儲區(qū)域2直接在半導體襯底1內形成而不在p+型穿通防止區(qū)域6內形成，故可以以低的雜質濃度而且穩(wěn)定地形成n-型信號存儲區(qū)域2。
具體地說，半導體襯底1的雜質濃度(例如，硼濃度)，如上所述，被設定為1×1015atoms/cm3，p+型穿通防止區(qū)域6的雜質濃度(例如硼濃度)例如，被設定為1×1017atoms/cm3。
就是說，在本發(fā)明中，由于結果成為在具有比p+型穿通防止區(qū)域6的雜質濃度還小2個數(shù)量級的雜質濃度的半導體襯底1內，形成n-型信號存儲區(qū)域2，故可以把n型雜質的離子注入的劑量設定得低，作為結果成為可以以低的雜質濃度而且穩(wěn)定地形成n-型信號存儲區(qū)域2。
另外，必須在絕緣隔離層10的正下邊確實地形成p+型穿通防止區(qū)域6。因為這樣會有效地防止把絕緣隔離層10夾在中間的n型半導體區(qū)域間的穿通。
為此，p+型穿通防止區(qū)域6，例如，可以用規(guī)定的加速能量和規(guī)定的劑量的離子注入法，在形成了絕緣隔離層10之后，形成柵極電極8、14之前形成。如果把這時的離子注入的條件設定為雜質(例如，硼(boron))穿透絕緣隔離層10那樣的條件，則如圖3所示，在不存在絕緣隔離層10的器件區(qū)域B中，雜質就會一直達到半導體襯底1的深的位置，在距半導體襯底1的表面足夠深的位置上形成p+型穿通防止區(qū)域6。
另外，在圖3中，柵極氧化膜7的厚度，例如被設定為8nm左右，柵極電極14的長度(溝道長度)例如，被設定為0.4微米左右。此外，p++型表面屏蔽層3的雜質濃度，例如，被設定為1×1018atoms/cm3左右，p+型穿通阻擋層5和p+型穿通防止區(qū)域6的雜質濃度，例如，都被設定為1×1017atoms/cm3左右。
如上所述，倘采用本發(fā)明的實施形態(tài)2的MOS型固體攝象裝置，則在可以以低的雜質濃度而且穩(wěn)定地形成光電二極管的信號存儲區(qū)域的同時，即便是MOS晶體管微細化，也可以防止穿通。其次，對本發(fā)明的MOS型固體攝象裝置的制造方法進行說明。
另外，以下的說明，可以應用于上邊所說的實施形態(tài)1到3的所有的MOS型固體攝象裝置的制造方法。至于各個實施形態(tài)的獨特的步驟(step)，在每逢碰到時再予以說明。
首先，如圖4所示，用LOCOS法，在p型半導體襯底1上邊，形成絕緣隔離層10。然后，用熱氧化法，在被絕緣隔離層10包圍起來的器件區(qū)域A、B上邊形成緩沖(buffer)氧化膜15.
其次，如圖5所示，對器件區(qū)域A，進行用來決定MOS晶體管的閾值的所謂的溝道離子注入，形成p型讀出溝道區(qū)域9。同樣，對器件區(qū)域B，進行用來決定MOS晶體管的閾值的所謂的溝道離子注入，形成p型溝道區(qū)域13。
在本例中，兩溝道區(qū)域9、13，用2次的離子注入工序形成。在該情況下，為形成兩溝道區(qū)域9、13，需要進行2次PEP(Photo EngravingProcess，照相凸版制版法)。但是，在把在器件區(qū)域A、B上形成的MOS晶體管的閾值設定為彼此相同的情況下，兩溝道區(qū)域9、13可以用1次的離子注入工序形成。在該情況下，用來形成兩溝道區(qū)域9、13的PEP用1次就行。
然后，形成光刻膠層16，用PEP，在器件區(qū)域A上邊，使作為掩模的光刻膠圖形(risist pattern)殘存下來。
另外，在該時刻，若把光刻膠層16作成為使得把器件區(qū)域A整個覆蓋起來，則成為上邊所說的實施形態(tài)1的器件的制造方法。此外，若作成為不把光刻膠層16配置在器件區(qū)域A上邊的一部分上，則成為上邊所說的實施形態(tài)2和3的器件的制造方法。
接著，用離子注入法，以光刻膠層16為掩模，離子注入p型雜質(例如，硼)，在半導體襯底1的內部形成p+型穿通防止區(qū)域6。
這時，要把離子注入時的加速能量設定為使得p+型穿通防止區(qū)域6在距半導體襯底1的表面0.2～0.4微米的位置上形成。但是，該條件當然必須是在絕緣隔離層10的正下邊也形成p+型穿通防止區(qū)域6。
此外，要把離子注入時的劑量設定為使得p+型穿通防止區(qū)域6的雜質濃度，例如，成為1×1017atoms/cm3左右。在本例中，用來形成p+型穿通防止區(qū)域6的離子注入，雖然前提是進行一次，但是也可以作成為使得用2次以上的離子注入來形成p+型穿通防止區(qū)域6。
在這里，對可以與實際的產品對應的微妙的條件進行說明。
就是說，在形成p+型穿通防止區(qū)域6時，實際上，要把光刻膠層18設定為比器件區(qū)域A的尺寸小一圈的尺寸。其理由是如果在器件區(qū)域A的周邊中把p+型穿通防止區(qū)域6作成為使得多少進入到器件區(qū)域A內，則可以防止光電二極管的耗盡層到達在絕緣隔離層10上形成的損傷上去。
另外，p+型穿通防止區(qū)域6進入到器件區(qū)域A中的寬度X，考慮到掩模(光刻膠層16)的套刻偏差，理想的是設定為該套刻偏差以上。例如，該寬度設定為0.2微米左右或其以上的值。
然后，除去器件區(qū)域B上邊的緩沖氧化膜15，再用熱氧化法，在器件區(qū)域B上邊，形成10nm以下的厚度，例如8nm左右的柵極氧化膜7。然后，除去器件區(qū)域A上邊的光刻膠層16，再除去器件區(qū)域A上邊的緩沖氧化膜15。
其次，如圖6所示，用熱氧化法，在器件區(qū)域A上邊，形成10nm以下的厚度，例如，8nm左右的柵極氧化膜7。
另外，雖然在本例中用不同的步驟形成器件區(qū)域A的柵極氧化膜7和器件區(qū)域B的柵極氧化膜7，但是當然也可以用同一步驟形成。在該情況下，在除去了圖5的光刻膠層16之后，同時除去器件區(qū)域A、B上邊的緩沖氧化膜15，而且，同時在器件區(qū)域A、B上邊形成柵極氧化膜7。
然后，在經由含有雜質的導電性多晶硅膜的形成、光刻膠層的形成、PEP、RIE這樣的步驟后，在器件區(qū)域A的柵極氧化膜7上邊，形成讀出柵極電極8，在器件區(qū)域B的柵極氧化膜7上邊，形成柵極電極14。
此外，再經由氧化膜(或氮化膜)的形成、RIE這樣一些步驟，在柵極電極8、14的側壁上，形成所謂的側壁(side wall)襯墊(spacer)。
之后，對于上邊所說的實施形態(tài)1的器件的制造方法來說，如圖6所示，用光刻膠層的涂敷和PEP，在器件區(qū)域A上邊的一部分上形成具有開口的光刻膠圖形(光刻膠層17)。然后，用離子注入法，以光刻膠層17為掩模，向半導體襯底1內注入p型雜質(例如，硼)，形成，p+型穿通阻擋層5。
然后，除去光刻膠層17。
另外，對于上邊所說的實施形態(tài)2和3的器件的制造方法來說，當然，不需要形成p+型穿通阻擋層5的步驟。
其次，如圖7所示，用光刻膠層的涂敷和PEP，在器件區(qū)域A上邊的形成光電二極管的區(qū)域上，形成具有開口的光刻膠圖形(光刻膠層18)。然后，用離子注入法，以光刻膠層18和側壁為掩模，向半導體襯底1內注入p型雜質(例如，BF2)，形成p++型表面屏蔽層3。
然后，除去光刻膠層18。
其次，如圖8所示，除去存在于柵極電極8、14的側壁上的側壁。然后，再次，用光刻膠層的涂敷和PEP，在器件區(qū)域A上邊的形成光電二極管的區(qū)域上，形成具有開口的光刻膠圖形18’。然后，用離子注入法，以光刻膠層18’為掩模，向半導體襯底1內注入n型雜質(例如，磷)，形成n-型信號存儲區(qū)域2。
之后，除去光刻膠層18’。
最后，如圖9所示，用光刻膠層的涂敷和PEP，在器件區(qū)域A上邊的一部分和器件區(qū)域B上邊，形成具有開口的光刻膠圖形(光刻膠層19)。然后，用離子注入法，以光刻膠層19和柵極電極9、14為掩模，向半導體襯底1內注入n型雜質(例如，磷)，形成n型第1到第3半導體區(qū)域4、11、12。
之后，除去光刻膠層19。
另外，之后，雖然還要進行布線工序和鈍化(passivaion)工序等，但是，對于這些工序，在此予以省略。
用以上的方法，完成本發(fā)明的MOS型固體攝象裝置。在上邊所說的實施形態(tài)的MOS型固體攝象裝置中，也可以省略p+型穿通阻擋層5。在該情況下，形成p+型穿通阻擋層5的步驟(參看制造方法的說明)被省略，可以對降低造價作出貢獻。此外，雖然并不限定于實施形態(tài)2和3的MOS型固體攝象裝置，如果使p+型穿通防止區(qū)域6僅僅一定寬度X地進入器件區(qū)域A(參看圖5)，則即便是在器件區(qū)域A的MOS晶體管中，也可以充分地得到防止穿通的效果。
在上邊所說的實施形態(tài)1到3的MOS型固體攝象裝置中，p+型穿通防止區(qū)域6，也可以采用原封不動地使用在用來決定MOS晶體管的閾值的離子注入時使用的掩模進行n型雜質的離子注入的辦法形成。該變形例，是在對于器件區(qū)域A內的讀出門電路(MOS晶體管)的溝道部分，不進行溝道離子注入的情況下應用的例子。
在上邊所說的實施形態(tài)1到3的MOS型固體攝象裝置中，雖然是在p型半導體襯底內形成n溝MOS晶體管的例子，但是，本發(fā)明，在n型半導體襯底內形成p溝MOS晶體管的情況下也可以應用。如上所述，倘采用本發(fā)明的MOS型固體攝象裝置及其制造方法，則在光電二極管的信號存儲區(qū)域的正下邊，不形成p+型穿通防止區(qū)域。另一方面，p+型穿通防止區(qū)域，被形成為至少僅僅一定寬度地進入要形成源極成為光電二極管的信號存儲區(qū)域的讀出門電路(MOS晶體管)的器件區(qū)域內，而且，在該器件區(qū)域之外的整個器件區(qū)域上形成。
因此，即便是在MOS晶體管的柵極長度變短，其柵極氧化膜的厚度變薄的情況下，也可以同時防止MOS晶體管的穿通和器件間(把絕緣隔離層夾在中間的2個器件間)的穿通。此外，由于不需要使p+型穿通防止區(qū)域的導電類型反轉來形成光電二極管的信號存儲區(qū)域，故可以降低在單一象素形成的光電二極管的耗盡化電位，而且，可以使該電位穩(wěn)定。
權利要求
1.一種MOS固體攝象裝置，其特征是具備在第1導電類型的半導體襯底內形成的光電變換器件；在上述半導體襯底的第1器件區(qū)域內形成的，用來讀出由上述光電變換器件產生的電荷的第2導電類型的第1MOS晶體管(transistor)；以及在上述半導體襯底的第2器件區(qū)域內形成的第2導電類型的第2MOS晶體管，在整個上述第2器件區(qū)域上設置用來防止穿通(punch-through)的第1穿通防止區(qū)域。
2.權利要求1所述的MOS型固體攝象裝置，其特征是還具備把上述第1和第2器件區(qū)域包圍起來的絕緣隔離層，在上述絕緣隔離層的正下邊也設置上述穿通防止區(qū)域。
3.權利要求2所述的MOS型固體攝象裝置，其特征是上述穿通防止區(qū)域，在上述第1器件區(qū)域的周邊部分內沿著上述絕緣隔離層設置。
4.權利要求3所述的MOS型固體攝象裝置，其特征是從上述絕緣隔離層到上述第1器件區(qū)域內的上述穿通防止區(qū)域的邊緣為止的寬度，確保在形成上述穿通防止區(qū)域時使用的掩模(mask)構件的套刻偏差以上。
5.權利要求4所述的MOS型固體攝象裝置，其特征是上述寬度，為0.2微米以上。
6.權利要求2所述的MOS型固體攝象裝置，其特征是上述第2器件區(qū)域中的上述穿通防止區(qū)域的位置，比上述絕緣隔離層的正下邊的上述穿通防止區(qū)域的位置還深。
7.權利要求1所述的MOS型固體攝象裝置，其特征是上述MOS型固體攝象裝置，具有多個象素，各個象素具有上述光電變換器件、上述第1MOS晶體管和上述第2MOS晶體管。
8.權利要求1所述的MOS型固體攝象裝置，其特征是上述光電變換器件，在上述第1器件區(qū)域內形成，上述第1MOS晶體管的源(source)極成為上述光電變換器件的第2導電類型的信號存儲區(qū)域。
9.權利要求8所述的MOS型固體攝象裝置，其特征是具備在上述第1MOS晶體管的漏(drain)極正下邊形成的第1導電類型的穿通阻擋層。
10.權利要求8所述的MOS型固體攝象裝置，其特征是上述穿通防止區(qū)域設置在上述第1MOS晶體管的漏極的正下邊。
11.權利要求8所述的MOS型固體攝象裝置，其特征是上述穿通防止區(qū)域把上述第1MOS晶體管的漏極和溝道的一部分覆蓋起來。
12.權利要求8所述的MOS型固體攝象裝置，其特征是上述光電變換器件，由上述半導體襯底和上述信號存儲區(qū)域構成，在上述信號存儲區(qū)域的正下邊不設置上述穿通防止區(qū)域。
13.權利要求12所述的MOS型固體攝象裝置，其特征是上述穿通防止區(qū)域與上述信號存儲區(qū)域鄰接。
14.權利要求1所述的MOS型固體攝象裝置，其特征是上述第2器件區(qū)域中的上述穿通防止區(qū)域的深度被設定為在0.2微米以上0.4微米以下。
15.權利要求1所述的MOS型固體攝象裝置，其特征是上述第1和第2MOS晶體管的柵極長度被設定為在0.2微米以上0.4微米以下，柵極氧化膜的厚度被設定為在10nm以下。
16.一種MOS型固體攝象裝置的制造方法，具備下述工序在第1導電類型的半導體襯底上邊形成絕緣隔離層，形成被上述絕緣隔離層包圍起來的第1和第2器件區(qū)域的工序；用離子(ion)注入法向上述半導體襯底內注入第1導電類型的雜質，至少在上述絕緣隔離層的正下邊和整個上述第2器件區(qū)域內形成用來防止穿通的第1導電類型的穿通防止區(qū)域的工序；在上述第1器件區(qū)域內，形成光電變換器件和用來讀出由上述光電變換器件產生的電荷的第1MOS晶體管，同時，在上述第2器件區(qū)域內形成第2MOS晶體管的工序。
17.權利要求16所述的MOS型固體攝象裝置的制造方法，其特征是上述雜質，以穿透上述絕緣隔離層那樣的加速能量(energy)和劑量(dose)注入到上述半導體襯底內。
18.權利要求16所述的MOS型固體攝象裝置的制造方法，其特征是上述雜質，原樣地使用決定上述第2MOS晶體管的閾值的溝道離子(channel ion)注入時的掩模，注入到上述半導體襯底內。
19.權利要求16所述的MOS型固體攝象裝置的制造方法，其特征是上述雜質，以覆蓋上述第1器件區(qū)域上邊的一部分的光刻膠(resist)層為掩模，注入到上述半導體襯底內。
20.權利要求19所述的MOS型固體攝象裝置的制造方法，其特征是上述光刻膠層，在既是比至少從上述絕緣隔離層進入上述第1器件區(qū)域僅僅一定寬度的位置還往內側的區(qū)域，又是上述光電變換器件的第2導電類型的信號存儲區(qū)域的上邊形成。
21.權利要求16所述的MOS型固體攝象裝置的制造方法，其特征是上述雜質也注入到上述第1器件區(qū)域內的一部分內。
全文摘要
一種MOS型固體攝象裝置,即便是MOS器件微細化,也能同時實現(xiàn)電荷傳送能力提高和穿通防止。在光電二極管的n
文檔編號H01L27/146GK1330409SQ0112181
公開日2002年1月9日 申請日期2001年6月28日 優(yōu)先權日2000年6月28日
發(fā)明者石渡宏明 申請人:株式會社東芝