专利名称：固体摄像装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及固体摄像装置。
背景技术：
固体摄像装置是把光电二极管中积存的电荷通过光电转换而作为电信号检测出来的装置，尤其构成部分包括在半导体基板上按垂直方向和水平方向进行二维排列的单元和信号检测电路。
过去，作为固体摄像装置，已知的有MOS型图像传感器和CCD(Charge Coupled Device电荷耦合装置)。在MOS型图像传感器中，在光电转换区(光电二极管)中进行转换的信号电荷通过晶体管进行放大。其特征是高灵敏度、低消耗功率，而且能够单一电源工作。更详细地说，信号电荷存储区的电位利用由光电转换所产生的信号电荷来进行调制。并且，放大晶体管的放大系数随该电位而变化。在MOS型图像传感器的情况下，放大晶体管包含在像素部内，所以希望减小像素尺寸，增加像素数量。
并且，MOS型图像传感器的优点是，容易把各种不同的电路组装在相同的基板上。例如，外围电路(寄存器电路、定时电路)、MD(模拟/数字)转换电路、指令电路、D/A(数字/模拟)转换电路、DSP(数字信号处理器)等。这样，通过在与MOS型图像传感器相同的芯片上组装功能电路，能够实现低成本。
图1表示MOS型图像传感器的电路模式图的一例。图像摄入区10由多个单元(11-1-1、11-1-2、……11-3-3)构成，各单元二维排列。
各个单元11有以下构成部分作为光电转换元件的光电二极管12(12-1-1、12-1-2、……12-3-3)、电荷传输晶体管13(13-1-1、13-1-2、……13-3-3)、用于消去电荷的复位晶体管14(14-1-1、14-1-2、……14-3-3)、以及放大晶体管15(15-1-1、15-1-2、……15-3-3)。在此情况下，光电转换区由光电二极管12和电荷传输晶体管13构成。并且，信号检测电路区由复位晶体管14和放大晶体管15构成。
在图像摄入区10的周围区布置了水平移位寄存器21、垂直移位寄存器22等周围电路区。水平像素选择布线24和复位布线23利用水平移位寄存器21来选择水平方向的单元位置。再者，为了决定读出信号电荷的线，水平像素选择布线24连接在各个电荷传输晶体管13的栅极上。并且，为了选择垂直方向的单元位置，把垂直方向的电压输入晶体管28连接到垂直信号线26上。
以下图2、3是表示过去的固体摄像装置之一的金属氧化物半导体(MOS)型固体摄像装置的俯视图和断面结构的一例。
图2表示其俯视图。它由3个区构成。第1是由光电二极管101、传输栅103和检测电容部104构成的电荷传输晶体管；第2是由检测电容部104、复位栅电极108和漏极区106构成的复位晶体管；第3是由漏极区106、源极区115和放大栅114构成的放大晶体管105。
并且，图3表示其断面图。图3A是图2的断面A-A′的断面图。在半导体基板113上，具有光电晶体管区，其中包括光电二极管101；传输栅103，它由传输晶体管的传输栅电极和栅绝缘膜107构成，该晶体管用于传输通过入射光而存储在光电二极管101内的电荷；以及检测电容部104，用于存储从光电二极管101通过传输栅103传输的电荷。并且具有以栅电极108、漏极区106、以及以上述检测电容部104为源极区的复位晶体管区。并且，也包括由漏极区106、栅电极114和源极区115构成的放大晶体管105。栅绝缘膜由氧化硅膜(SiO2)和氮化硅膜(SiN)等构成。并且，图3B是图2的断面B-B′的断面图。这里，栅极下的沟道宽度W由元件隔离区110所夹持的区的宽度来决定。
其工作原理如下。由光电二极管101检测出的光转换成电荷，使传输栅103导通，从而使电荷向检测电容部104内移动。并且，使存储在检测电容部104上的电荷向放大晶体管105内移动，进行信号放大处理。这里，形成复位栅电极108是为了存储在光电二极管101上的电荷在使传输栅103导通后向检测电容部104移动之前完全清除在检测电容部104上存储的电荷。在使电荷向检测电容部104移动之前，使复位栅电极108导通，从而使电荷能够完全移动到漏极区106内。并且，必须在漏极区106内加正电压，使其电压高于检测电容部104。这样一来，当输入入射信号时，能够完全除去检测电容部104的载流子。
因此，过去，在固体摄像装置中，考虑降低检测电容部的电容来进行安装(日本专利特开平5-291550号公报)。
通常，检测电容部104内存储的信号作为电压Vfd被读出，表示为Vfd＝Qfd/Cfd。
Qfd是从光电二极管101向检测电容部104内存储的电荷，Cfd是检测电容部104的电容值。在MOS型固体摄像装置中，使像素部排列成阵列状，但作为图像为了获得更详细的信号，必须减小像素的单元尺寸。若减小单元尺寸，则光电二极管的面积减小，存储的电荷Qfd减少。因此，在使Qfd一定的情况下，为了增大Vfd，必须减小Cfd。
过去，Cfd是大致上与Csub相同的，通过减小检测电容部104的面积Sfd，能够减小Cfd。Cfd表示如下(参见图4)。
Csub＝ε·Sfd/dfdCfd＝Csub+Co+Cr+Cs+Cd式中，Csub是检测电容部104和基板113的电容，dfd是检测电容部104和基板113之间的距离，Cr是检测电容部104和复位栅电极108之间的电容，Co是检测电容部104和传输栅103之间的电容，Cs、Cd是检测电容部104和放大晶体管105的源极115以及漏极106之间的电容。
但是，随着检测电容部104微细化的发展，不仅Csub，其他电容成分相对来说已不能忽视，Cfd的减小已不容易。为了减小电容Cfd，有效的办法是减小例如检测电容部104及作为与其相邻的晶体管的复位晶体管之间所产生的电容Cr。这样，能够提高检测电容部104内的电荷——电压转换效率。
为了减小检测电容部104和复位晶体管之间的电容，可以减小复位栅电极108下的沟道宽度W。可简要表示如下Cr＝ε·Lr·W/(Lr/2)＝2·ε·W式中W是复位栅电极108下的沟道宽度，ε是介电常数，Lr是复位栅电极108的栅长。通常，晶体管的沟道宽度由有源区的宽度决定。有源区的宽度(沟道宽度)在半导体制造工序中大致上由光刻工序中使用的步进曝光装置的分辨率来决定，当前情况下，很难将其减小到0.2～0.3μm以下。
发明内容
本发明的目的是，为了解决上述现有的问题，提供能减小检测电容部的电容Cfd，增大输出电压的半导体固体摄像装置。
为了达到上述目的，本发明的固体摄像装置，其特征在于在半导体基板上具有将入射光光电转换为信号电荷的光电二极管、用于传输上述光电二极管内累积的信号电荷的传输晶体管、用于累积由上述传输晶体管传输的信号电荷的检测电容部、以及用于把上述检测电容部内累积的信号电荷排出到漏极的复位晶体管，至少在上述复位晶体管的栅电极下的沟道的侧壁上，具有提供极性与上述沟道相反的载流子的离子种分布的结构。并且，在此，其特征在于上述复位晶体管的栅宽度比栅长度短。
在此，最好是提供极性与上述沟道相反的载流子的离子种从上述复位晶体管的栅电极下、到上述检测电容部或者上述漏极连续地分布。
并且，最好是上述复位晶体管的有效栅宽为0.01μm以上，0.4μm以下。并且，最好是上述复位晶体管的有效栅长为0.1μm以上1.0μm以下。
再者，本发明的固体摄像装置，其特征在于在形成上述光电二极管的有源区和对该有源区进行限制的元件隔离区之间的边界部上，分布有提供极性与上述光电二极管的多数载流子相反的载流子的离子种。
如上所述，通过使具有极性与沟道相反的电荷的离子种分布在有源区和元件隔离区的边界附近，从而，不受光刻工序中所用的步进曝光装置的分辨率极限的制约，能够使有效沟道宽度精度良好，并进一步减小有效沟道宽度。若采用该方式，则能够把沟道宽度缩小到0.01～0.1μm左右。
这样，(1)与现有方法相比，不增加工序数，即可减小复位晶体管的有效沟道宽度。通过减小检测电容部的电容来使输出电压增大，即可实现高灵敏度、高图像质量的固体摄像装置。(2)是极单纯的加工工序，能够获得适用于大量生产的效果。
下列
本发明的具体实施方式
，由结合附图的下列说明将了解本发明的上述和其他目的、优点和特征。
图1是现有的固体摄像装置的构成图。
图2是现有的固体摄像装置的结构图(俯视图)。
图3A和图3B是现有的固体摄像装置的结构图(断面图)。
图4是关于固体摄像装置的检测电容部的电容的说明图。
图5是根据本发明的第1实施方式的固体摄像装置的结构图(俯视图)。
图6A和图6B是根据本发明的第1实施方式的固体摄像装置的结构图(断面图)。
图7A和图7B是关于晶体管的沟道宽度缩小的说明图。
图8A、图8B、图8C是本发明第2实施方式的固体摄像装置的制造方法。
图9是根据本发明第2实施方式的固体摄像装置的结构图(俯视图)。
图10A和图10B是根据本发明第2实施方式的固体摄像装置的结构图(断面图)。
图11是根据本发明第3实施方式的固体摄像装置的结构图(俯视图)。
图12是根据本发明第4实施方式的固体摄像装置的结构图(俯视图)。
具体实施例方式
以下参照附图，说明本发明的实施方式。
(第1实施方式)本发明的第1实施方式的固体摄像装置的俯视图示于图5。与现有例的不同之处是，在图5的复位栅电极108下的沟道和元件隔离区110之间的边界区中，分布有具有极性与复位栅电极108下的沟道的载流子(电子或空穴)相反的电荷的离子种(イオン種)(P型或N型)111。除此以外的构成与图2、3所示的现有例相同。
图6表示断面图。与图5A-A′断面图对应的图6A与现有例相同。但是，对应于图5的B-B′断面图的图6B与现有例不同，在元件隔离区110的侧壁上分布有具有极性与沟道的载流子(电子或空穴)相反的电荷的离子种111(P型或N型)。
一般，晶体管的沟道宽度取决于被元件隔离区夹持的有源区的宽度。图5中示出了有源区和元件隔离区的边界线100。被边界线100包围的区域内是有源区。复位栅电极108下的沟道宽度W越小，越能减小检测电容部104的电容值Cfd。图7表示复位晶体管。该复位晶体管如上所述由漏极106、复位栅电极108和检测电容部104构成。图7A是现有例的图2的B-B′的断面图，图7B是本实施方式的图5的B-B′的断面图。如图7A所示，在离子未分布在元件隔离区110的侧壁附近的情况下，沟道宽度W由有源区112的宽度来决定。另一方面，如图7B所示，在离子(与沟道相反的极性)分布在元件隔离区110的侧壁附近的情况下，沟道宽度W减小。其原因是注入了离子111的区域中，导带的电位增高，电子密度降低。
以下说明该构成的优点。有源区112的宽度，在半导体制造工序中，基本上由光刻工序中使用的缩小投影曝光机(ステツパ一步进曝光装置)的分辨率来决定，用现有技术很难使其减小到0.2～0.3μm的程度。
并且，今后，如果步进曝光装置的性能提高，分辨率提高，那么也可能实现0.2μm以下的加工。但是，在此情况下，出现对基板表面的损伤问题，沟道宽度W容易产生波动，所以很难控制有效沟道宽度W。
另一方面，在本实施方式的构成中，在有源区112和元件隔离区110之间的边界附近，分布有提供极性与沟道相反的载流子的离子111。这样，既能够减小对基板表面的损伤，又能够减小有效沟道宽度W。
并且，晶体管的沟道宽度实效上由栅电极下的沟道宽度决定，但是希望该离子种在栅电极108和有源区内不仅分布在重叠的边界区内，而且是像图5那样分布。也就是说，希望不仅分布在复位栅电极108的下面，而且连续地分布在从复位栅电极108起到检测电容部104或漏极区106内。这是因为如果不是仅缩小栅极下的沟道长度，而是也缩小漏极、源极区的沟道宽度，那么能够获得更好的降低电容的效果。
形成复位晶体管沟道用的注入核通常是N型，所以一般是砷(As)。因此，分布在有源区112和元件隔离区110的边界附近的离子种111必须是P型离子，一般是硼(b)。希望该离子种111分布在从边界起0.05～0.2μm左右。其原因是，若P型离子的分布量过多，则沟道宽度变成极窄，即使接通复位栅电极108，也很难使检测电容部104的载流子移动到漏极区106内。如果是约0.05～0.2μm左右的分布，那么缩小沟道宽度和除去检测电容部104的载流子两者能够同时实现。在此情况下，希望用步进曝光装置来形成的有源区的宽度为0.1～0.4μm左右，栅宽度为0.01μm以上0.4μm以下。在该区域中，能够同时实现减小晶体管电容和除去检测电容部104的载流子。
作为其制造方法，可以应用在场效应晶体管制造方法中通常使用的沟槽隔离结构。如图8所示，(a)在Si基板113的区域中作为元件隔离部的区内，形成沟槽117，(b)在该沟槽117内进行具有极性与沟道载流子相反的电荷的离子111的注入，然后，(c)淀积氧化膜110，进行基板表面的平面化，然后形成栅电极等元件即可。用该方法，既能够使工序增加数控制在最小限度内，又容易进行侧壁注入(在有源区112和元件隔离区110的边界上进行的离子111注入)。
若采用该制造方法，则仅对通常的沟槽隔离的形成工序增加离子注入的1个工序，即可实现上述结构。在此情况下，通过离子注入对离子种111周围的有源区(沟道)112造成的损伤，能够通过加热处理而得到恢复。优选地，该热处理温度为700～900℃，时间为10～120分钟。
这样，通过减小有效沟道宽度，可减小复位栅电容，能够实现超越了光刻工艺极限的微细化。
利用本实施方式能够把有效沟道宽度缩小到0.1μm左右。也就是说，与不采用此方法的现有例相比，沟道宽度能够减小到1/2～1/3左右，检测电容部104和复位栅之间的电容也能够减小到1/2～1/3左右。
若减小检测电容部104的电容，则从光电二极管传输到检测电容部104的电荷转换成电压时的输出电压变化量增大。这样，能够提高检测灵敏度，改善S/N(信噪比)，所以，能够提高MOS型固体摄像装置的图像质量。
在此，希望栅长度尽量长，希望至少使栅宽度短于栅长度。第一原因是，如果增大栅长度，那么沟道宽度的误差平均化，形成阵列状的各个单元内所形成的复位晶体管的特性误差能够减小。另外，第二原因是，通过增大栅长度，能够增大复位晶体管的漏极、源极之间的最大施加电压，当复位栅导通时，容易除去检测电容部104的电荷。
希望栅长度为0.1μm以上1.0μm以下。若为0.1μm以下，则栅长度太短，由于热沟道效应等而很难获得良好的晶体管特性。并且，若为1.0μm以上，则检测电容部104和复位栅之间的电容相对于检测电容部104的电容来说已不能忽视。由此，对检测电容部104的施加电压能够达到1～5V。
(第2实施方式)本发明的第2实施方式的固体摄像装置的俯视图、断面图分别示于图9和图10。若考虑光电二极管101的漏电流的减小，则希望至少在光电二极管101的有源区和元件隔离区之间的边界附近，注入和分布这样的离子(通常为P型)，其提供的电荷的极性与提供形成光电二极管101的电荷的离子(通常为N型)相反。并且，如图9所示，也可以连续地(即包围单位单元中的全部有源区的状态)注入这样的离子(通常为P型)，其提供的电荷的极性与提供形成光电二极管101和沟道的电荷的离子(通常为N型)相反。在图9中，示出了有源区和元件隔离区的边界线100。由边界线100所包围的区的内侧是有源区，外侧是元件隔离区。
该第2实施方式与第1实施方式的不同之处是，在有源区和元件隔离区的边界100附近，分布这样的离子(通常是P型)，其提供的电荷极性与提供形成光电二极管101的电荷的离子(通常是N型)相反。除此以外的构成与图5、6相同。
在光电二极管内存在漏电流的情况下，即使没有入射光也会产生电荷，就像是有入射光那样产生输出信号。这将成为噪声(白缺陷)。通常，复位晶体管和光电二极管沟道为N型，分布在光电二极管的有源区和元件隔离区的边界附近的是P型离子。也就是说，在光电二极管的有源区和元件隔离区的边界附近，如图9所示，希望分布与P型同种类的离子种111。
这是因为，在制造工序中，通过同时进行该离子注入，不增加工序数，就能够如图9、10所示使离子111进行分布。若采用上述实施方式，则不增加工序数，就能够降低噪声，提高图像质量。
(第3实施方式)本发明的第3实施方式的固体摄像装置的俯视图示于图11。
在第2实施方式中说明了光电二极管101和检测电容部104按照1比1来构成的情况。与此相比，在该第3实施方式中，光电二极管101和检测电容部104/复位晶体管/放大晶体管按照多比1来构成。在此情况下的比率，一般是2比1、或4比1。在2比1的情况下，称为2像素1单元，在4比1的情况下称为4像素1单元。若是多比1的构成，则与通常的1比1的构成相比，优点是晶体管所占的面积减小，所以光电二极管101的面积增大。
在该第3实施方式中，也和第1及第2实施方式一样，在光电二极管101和元件隔离区的边界100附近，并且在晶体管的沟道和元件隔离区的边界100附近，分布这样的离子种，其提供的载流子的极性与光电二极管101的多数载流子相反。这样一来，在减小光电二极管101的白伤痕的同时，能够减小检测电容部104的电容。并且也有不增加制造工序数，就能够实现的效果。
(第4实施方式)本发明的第4实施方式的固体摄像装置的俯视图示于图12。
该第4实施方式与第3实施方式的不同之处是检测电容部104/复位晶体管/放大晶体管不共用漏极/源极，而是隔离。这样能够使光电二极管101/晶体管的布置增大自由度。
在此情况下，也是在光电二极管101和元件隔离区的边界100附近，并且在晶体管的沟道和元件隔离区的边界100附近，分布这样的离子种，其提供的载流子的极性与光电二极管101的多数载流子相反。这样一来，和第3实施方式一样，在减小光电二极管101的白伤痕的同时，能够减小检测电容部104的电容。
产业上的利用可能性本发明尤其适用于微细化的MOS型固体摄像装置和具有该固体摄像装置的相机，适用于高灵敏度、高图像质量的图像传感器、数码静态照相机、带照相机的移动电话机、笔记本个人计算机所具有的照相机、以及与信息处理设备相连接的照相机单元等。
权利要求
1.一种固体摄像装置，其特征在于在半导体基板上具有将入射光光电转换为信号电荷的光电二极管、用于传输上述光电二极管内存储的信号电荷的传输晶体管、用于存储由上述传输晶体管传输的信号电荷的检测电容部、以及用于把上述检测电容部内存储的信号电荷排出到漏极的复位晶体管；该固体摄像装置具有下述结构至少在上述复位晶体管的栅电极下的沟道的侧壁上，分布有提供极性与上述沟道相反的载流子的离子种。
2.如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于提供极性与上述沟道相反的载流子的离子种，从上述复位晶体管的栅电极下到上述检测电容部或者上述漏极连续地分布。
3.如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于上述复位晶体管的栅宽小于栅长。
4.如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于上述复位晶体管的有效栅宽为0.01μm以上0.4μm以下。
5.如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于上述复位晶体管的有效栅长为0.1μm以上1.0μm以下。
6.如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于在形成上述光电二极管的有源区和限制该有源区的元件隔离区之间的边界部上，还分布有提供极性与上述光电二极管的多数载流子相反的载流子的离子种。
7.如权利要求6所述的固体摄像装置，其特征在于在上述复位晶体管的栅电极下的沟道的侧壁上，提供极性与上述沟道相反的载流子的离子种，与在形成上述光电二极管的有源区和限制该有源区的元件隔离区之间的边界部上分布的上述离子种连续地分布。
8.如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于多个上述光电二极管共用一个上述检测电容部和一个上述复位晶体管，它们的元件隔离区是连续的，在该元件隔离区的侧壁上分布有提供极性与上述沟道相反的载流子的离子种。
9.如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于多个上述光电二极管共用一个上述检测电容部和一个上述复位晶体管的栅极，上述光电二极管和上述检测电容部的元件隔离区是连续的，上述光电二极管和上述复位晶体管的栅极的元件隔离区是不连续的；在整个元件隔离区的侧壁上分布有提供极性与上述沟道相反的载流子的离子种。
全文摘要
一种固体摄像装置，在检测电容部(104)和周围的晶体管的电容中，最大的电容是复位晶体管的电容。为了减小该电容，有效的方法是减小复位晶体管的沟道宽度，在复位晶体管的沟道、有源区和元件隔离区的边界线(100)附近，分布有提供极性与沟道相反的载流子的离子种(111)，从而能够减小有效沟道宽度。
文档编号H01L27/146GK1812113SQ20051012967
公开日2006年8月2日 申请日期2005年12月16日 优先权日2004年12月16日
发明者胜野元成, 宫川良平, 松长诚之 申请人:松下电器产业株式会社