专利名称：固态图像传感器的制造方法
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：
具有通过传送开关将在光电转换器中由光电转换产生的电荷传送到诸如浮置扩散的电荷-电压转换器的布置的固态图像传感器是已知的。日本专利特开No. 2007-311803 公开了为了形成构成光电二极管的杂质区域相对于基板的表面的法线以倾斜角将离子注入基板内的方法。根据该方法，还在传送开关的栅极(传送栅极)下面注入离子。如果相对于基板的表面的法线以倾斜角将离子注入基板内，那么产生由限定离子注入区域的掩模遮蔽的区域。如果对于要形成光电二极管的电荷蓄积区域的区域、即要注入离子的区域的一部分的离子注入被妨碍，那么要蓄积的电荷量、即饱和电荷量变少，由此使固态图像传感器的动态范围变窄。
发明内容
本发明提供了有利于提高饱和电荷量的固态图像传感器的制造方法。本发明的各方面中的一个方面提供了一种具有在半导体基板上形成的多个像素的固态图像传感器的制造方法，各像素包含光电转换器、电荷-电压转换器和栅极，该栅极用于形成用于将在光电转换器中产生的电荷传送到电荷-电压转换器的沟道，该方法包括离子注入步骤，用于将离子注入到半导体基板的要形成光电转换器的目标区域内，其中，离子注入步骤被执行N次(N是2或更大的自然数)，在各离子注入步骤中，沿相对于所述半导体基板的表面的法线具有倾斜角的方向注入离子，注入离子的目标区域在各离子注入步骤中不同，并且，对于执行N次的各离子注入步骤，在半导体基板上形成掩模，该掩模对于每N个像素具有开口，多个开口沿半导体基板的表面与由该法线和该具有倾斜角的方向确定的平面之间的交线的方向周期性布置。参照附图从示例性实施例的以下描述，本发明的其它特征将变得清晰。
图1是用于示例性地解释根据本发明的第一和第二实施例的一个像素的布置的布局图；图2A 2E是用于解释根据第一实施例的固态图像传感器的制造方法的示图；图3是沿图2C中的线A-A'切取的截面图；图4是用于解释比较例的截面图；图5A 5D是用于解释根据第三实施例的固态图像传感器的制造方法的示图；以及图6是用于解释根据本发明的第四实施例的固态图像传感器的制造方法的布局图。
具体实施例方式根据本发明的实施例的固态图像传感器可包含其中二维布置多个像素的像素阵列、被布置为选择像素阵列中的行的行选择电路、被布置为选择像素阵列中的列的列选择电路和被布置为通过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，读出电路读出像素阵列中的由行选择电路选择的行的像素的信号。列选择电路在由读出电路读出的行的像素的信号中选择要输出到外面的信号。图1是用于示例性地解释根据本发明的第一和第二实施例的一个像素的布置的布局图。各像素可包含光电转换器、电荷-电压转换器、传送开关、放大器和复位开关。光电转换器具有光电二极管102。电荷-电压转换器包含浮置扩散(以下，称为FD) 100。传送开关用作将在光电二极管102中蓄积的电荷传送到FD 100的MOS晶体管，并且包含栅极 103。栅极103通过具有接触插头103c的传送控制线与行选择电路连接。当行选择电路将传送控制线驱动到活动电平时，栅极103在自身下面形成用于将在光电二极管102中蓄积的电荷传送到FD100的沟道。复位开关用作用于复位FD 100的MOS晶体管，并且包含栅极 105。栅极105通过具有接触插头105c的复位控制线与行选择电路连接。构成复位开关的 MOS晶体管的一个扩散区域与具有接触插头l(Mc的复位线连接。放大器用作用于将与FD 100的电势对应的信号输出到列信号线的MOS晶体管，并且包含栅极107。栅极107通过具有与栅极107连接的接触插头107c和与FD 100连接的接触插头106c的信号线与FD 100 连接。在有源区域(active region) 101上布置光电二极管102、FD 100、复位开关的扩散区域和放大器的扩散区域。除有源区域101外的区域是隔离区域。参照图2A 2E和图3，将描述根据本发明的第一实施例的固态图像传感器的制造方法。图2A 2E仅示出像素阵列中的8个像素区域。图3是沿图2C中的线A-A'切取的截面图。在图2A所示的步骤中，在半导体基板上形成隔离区域，并且，除该隔离区域以外的部分用作有源区域101。随后，形成传送开关的栅极103、复位开关的栅极105和放大器的栅极107。在图2A 2E所示的例子中，平移对称地布置有源区域101、栅极103、105和107。 可通过在半导体基板上形成栅极材料层(例如，多晶硅层)、在其上面形成第一抗蚀剂图案 103'并且通过使用第一抗蚀剂图案103'作为掩模蚀刻栅极材料层，形成栅极103、105和 107。在图2B所示的步骤(同时离子注入步骤)中，通过形成第二抗蚀剂图案108并且通过使用第二抗蚀剂图案108作为掩模将离子注入到半导体基板内，形成光电二极管102。 在图2B所示的步骤中，离子被同时注入到要形成像素阵列的多个像素的所有光电二极管的目标区域内。注意，出于相互区分多个像素的光电二极管102的目的，作为光电二极管 102的替代，图2B 2E示出光电二极管102-1 102-8。在图2B所示的步骤中，离子注入中的对于半导体基板的离子接近方向可与半导体基板的表面的法线平行。换句话说，离子沿与半导体基板的表面的法线平行的方向被注入到半导体基板内。作为替代方案，在图 2B所示的步骤中，对于半导体基板的离子接近方向可以是相对于法线倾斜的方向(例如， 在<100>基板的情况下，倾斜角典型地被设为7° )，以抑制沟道效应(channeling)的影响。通过除了图2C和图2D所示的两个离子注入步骤(后面描述)以外还执行图2B所示的离子注入步骤，能够单独地调整栅极103下面的区域和剩余区域中的杂质分布。在图2B 所示的步骤中，平均离子掺杂深度可落入例如0. 15 μ m(包含) 3.00 μ m(包含)的范围内。掺杂深度是相对于半导体基板的半导体区域和层叠于该半导体区域的表面侧上的绝缘膜之间的界面的深度。注意，图2B所示的步骤可被省略。可以在去除第一抗蚀剂图案103'之后形成第二抗蚀剂图案108，或者可以在不去除第一抗蚀剂图案103'的情况下形成第二抗蚀剂图案108。在后一种情况下，基于栅极 103的厚度和第一抗蚀剂图案103'的厚度确定光电二极管102的在栅极103下面形成的部分的厚度(深度)。在图2C和图3所示的步骤中，在去除第二抗蚀剂图案108之后形成第三抗蚀剂图案109。然后，通过使用第一抗蚀剂图案103'和第三抗蚀剂图案109作为掩模，并且将对于半导体基板的离子接近方向设为相对于半导体基板的表面的法线NL具有倾斜角θ的方向，将离子注入到半导体基板内。换句话说，离子沿相对于半导体基板的表面的法线NL具有倾斜角θ的方向被注入到半导体基板内。倾斜角θ可落入例如5° (包含) 60° (包含)、优选15° (包含) 60° (包含)的范围内。可以确定倾斜角θ，使得在栅极103 下面注入离子。当相对于法线NL以倾斜角注入离子时，产生第三抗蚀剂图案109的遮蔽部 (shadow)、即不注入离子的区域。在图2C所示的例子中，离子被注入到要形成光电二极管 102-1 102-8中的光电二极管102-1、102-3、102-5和102-7的目标区域内。另一方面， 没有离子被注入到要形成光电二极管102-2、102-4、102-6和102-8的目标区域内。使离子接近方向倾斜形成光电二极管部分地在栅极103下面延伸的布置、即栅极103和光电二极管相互重叠的重叠布置。该布置有利地提高从光电二极管102向FD 100传送电荷的效率。 在图2C和图3所示的步骤中，平均离子掺杂深度可落入0 μ m(包含) 0. 15 μ m(包含) 的范围内。掺杂深度是相对于半导体基板的半导体区域和层叠于半导体区域的表面侧上的绝缘膜之间的界面的深度。在形成第三抗蚀剂图案109之前，可以如上面描述的那样留下第一抗蚀剂图案103'的全部或一部分，或者，可以去除第二抗蚀剂图案108和第一抗蚀剂图案103'两者。在图2D所示的步骤中，在去除第三抗蚀剂图案109之后形成第四抗蚀剂图案110。 然后，通过使用第一抗蚀剂图案103'和第四抗蚀剂图案110作为掩模，并且将对于半导体基板的离子接近方向设为相对于半导体基板的表面的法线NL具有倾斜角θ的方向，将离子注入到半导体基板内。倾斜角θ典型地被设为与图2C所示的步骤中的角度相同的角度。在图2D所示的例子中，离子被注入到要形成光电二极管102-1 102-8中的光电二极管102-2、102-4、102-6和102-8的目标区域内。相反，没有离子被注入到要形成光电二极管102-1、102-3、102-5和102-7的目标区域内。在形成第四抗蚀剂图案110之前，可如上面描述的那样留下第一抗蚀剂图案103'的全部或一部分，或者，可以去除第三抗蚀剂图案 109和第一抗蚀剂图案103'两者。在图2C和图2D所示的步骤中以倾斜角θ注入离子使得光电二极管102的一部分在传送开关的栅极103下面延伸，并且有助于控制光电二极管102的蓄积电荷量。在具有MOS晶体管布置的传送开关的栅极103下面形成的沟道的沟道长度方向(图2C中的χ 方向)上，第三抗蚀剂图案109周期性地对于每两个像素具有用于将离子注入到目标区域内的开口。目标区域表示要形成光电二极管的区域、即要注入离子的区域。类似地，从图2D可以清楚地看出，在传送开关的栅极103下面形成的用于传送电荷的沟道的沟道长度方向 (图2D中的χ方向)上，第四抗蚀剂图案110周期性地对于每两个像素具有用于将离子注入到目标区域内的开口。为了使得能够以倾斜角θ进行离子注入，第三抗蚀剂图案109或第四抗蚀剂图案110的开口的面积比单个光电二极管102( S卩，目标区域)的面积大。在本例子中，沟道长度方向与沿半导体基板的表面与由对于半导体基板的离子接近方向和半导体基板的法线NL确定的平面之间的交线的方向平行。由该接近方向和法线NL确定的平面包含例如法线NL和该接近方向。但是，如图6所示，沟道长度方向无需与沿交线的方向平行。将参照图3解释第三抗蚀剂图案109的设计方法。也可通过与用于第三抗蚀剂图案109的设计方法相同的设计方法来设计第四抗蚀剂图案110。使Lpd为光电二极管102-3 的宽度(对于其它的光电二极管来说也是如此)，并且θ为对于半导体基板的离子接近方向相对于法线NL的倾斜角。还假定H表示抗蚀剂图案109的厚度；P表示像素阵列节距； Lres表示抗蚀剂图案109的宽度。然后，具有以下的关系H · tan θ +Lpd+Lres = 2 · P注意，Lpd、P和Lres中的每一个表示沿沟道长度方向的宽度。抗蚀剂图案109的宽度Lres不可能具有负值。假定Lmin表示光刻工艺中的抗蚀剂图案的沿沟道长度方向的最小加工尺寸。在这种情况下，必须满足Lmin <Lres。倾斜角 θ由此被确定为满足Lmin<Lres。在栅极103下面存在的光电二极管的部分的面积依赖于倾斜角θ。出于比较的目的，参照图4，考虑如下这样的情况，即通过使用具有与要形成所有像素的光电二极管的目标区域对应的开口的抗蚀剂图案109'作为掩模，以倾斜角Θ'将离子注入到半导体基板内。在这种情况下，由于必须确定倾斜角Θ'以满足以下的关系，因此，与第一实施例相比，倾斜角Θ'的选择自由度更有限H · tan θ ‘ +Lpd+Lmin < P在第一实施例中，在针对用于形成重叠布置的离子注入(以下，称为重叠离子注入)所使用的抗蚀剂图案上，在由栅极形成的沟道的沟道长度方向(或沿交线的方向)上对于每两个像素设置用于离子注入的开口。因此，必须为了重叠离子注入形成两次抗蚀剂图案，并由此使用两个中间掩模(reticle)。由于每当执行重叠离子注入时离子被注入到要形成多个像素中的一些像素的光电二极管的目标区域内，因此重叠离子注入也可被称为分割离子注入。在第二实施例中，沿沟道长度方向(或沿交线的方向)对于每三个像素为抗蚀剂图案设置用于离子注入的开口。在这种情况下，必须为了重叠离子注入形成三次抗蚀剂图案，并由此使用三个中间掩模。但是，通过周期性地对于每三个像素设置用于离子注入的开口，能够加宽倾斜角θ，并且/或者使得能够应对像素节距P的减小。通过沿沟道长度方向(或沿交线的方向)对于每N个像素为抗蚀剂图案设置用于离子注入的开口，能够将第一和第二实施例扩展到执行N次重叠离子注入的情况。设计要求由下式给出H · tan θ +Lpd+Lmin < N · P这里，N是2或更大的自然数。
如果N更大，那么重叠离子注入的执行次数增加，同时能够加宽倾斜角θ，并且/ 或者使得能够应对像素节距P的减小。将参照图5Α 5D描述根据本发明的第三实施例的固态图像传感器的制造方法。 可以以与上述的倾斜角θ相同的倾斜角θ执行N次重叠离子注入。也可以以不同的倾斜角执行N次重叠离子注入中的至少两次。作为替代方案，可以以不同的倾斜角执行N次重叠离子注入。注意，以下没有具体提到的细节与第一实施例一致。在图5Α 5D所示的例子中，，一个FD 100、一个复位开关(栅极105)和一个放大器(栅极107)是两个像素共有的。这有助于一个像素的面积的减小，并且有助于更高密度的像素阵列。在图5Α所示的步骤中，形成有源区域101、传送开关的栅极103、复位开关的栅极105和放大器的栅极107。可通过在半导体基板上形成栅极材料层(例如，多晶硅层)、 在其上面形成第一抗蚀剂图案(未示出)并通过使用第一抗蚀剂图案作为掩模蚀刻栅极材料层，形成栅极103、105和107。在图5Α 5D所示的例子中，由共享FD 100、复位开关和放大器的两个像素形成的单位像素组具有镜面对称布置。多个单位像素组被平移对称地布置。在图5Β所示的步骤中，如在图2Β所示的步骤中那样，通过形成第二抗蚀剂图案 (未示出)并且通过使用第二抗蚀剂图案作为掩模将离子注入到半导体基板内，形成光电二极管102-1 102-8。此时，离子注入方向可以是与半导体基板的表面的法线平行的方向，或者是为了抑制沟道效应的影响的相对于法线倾斜的方向。在图5C所示的步骤中，在去除第二抗蚀剂图案之后形成第三抗蚀剂图案509。然后，通过使用第三抗蚀剂图案509作为掩模，相对于半导体基板的表面的法线以倾斜角θ 将离子注入到半导体基板内，使得在栅极103下面注入离子。倾斜角θ落入例如5° 60°、优选15° 60°的范围内。在图5C所示的例子中，离子被注入到要形成光电二极管 102-1 102-8中的光电二极管102-1、102-3、102-5和102-7的区域内。另一方面，没有离子被注入到要形成光电二极管102-2、102-4、102-6和102-8的区域内。在图5D所示的步骤中，在去除第三抗蚀剂图案509之后形成第四抗蚀剂图案510。 然后，通过使用第四抗蚀剂图案510作为掩模，相对于半导体基板的表面的法线NL以倾斜角-Θ将离子注入到半导体基板内，使得在栅极103下面注入离子。倾斜角-Θ的符号与图5C所示的步骤中的倾斜角θ的符号不同。考虑以xy面为与半导体基板的表面平行的平面并且以χ方向为沟道长度方向的xyz坐标系。在这种情况下，倾斜角-θ与具有+χ方向分量的方向对应，并且，倾斜角θ与具有-χ方向分量的方向对应。即，图5C所示的重叠离子注入步骤中的倾斜角(离子注入方向)与图5D所示的重叠离子注入步骤中的倾斜角不同。典型地，图5C所示的重叠离子注入步骤中的θ与图5D所示的重叠离子注入步骤中的θ相同，但是，它们可相互不同。在图5D所示的例子中，离子被注入到要形成光电二极管102-2、102-4、102-6和102-8的区域内。另一方面，没有离子被注入到要形成光电二极管 102-1、102-3、102-5 和 102-7 的区域内。本发明可适用于诸如具有平移对称布置的多个像素或像素组的布置、具有镜面对称布置的多个像素或像素组的布置和具有旋转对称布置的多个像素或像素组的布置的各种对称布置。图6是用于解释根据本发明的第四实施例的固态图像传感器的制造方法的布局图。具有与第一和第二实施例相同的功能的部分具有相同的附图标记，并且，其详细的描述被省略。在第一实施例中，如图2C所示，沟道长度方向(或交线的方向)与以矩阵拓扑布置的像素的行方向平行。第四实施例与第一实施例的不同之处在于，沟道长度方向不与像素行或列方向平行。并且，第四实施例与第一实施例的不同之处在于，多个光电二极管共享 —个 FD0在第一实施例的制造方法中，在图2C所示的步骤中设定倾斜角，使得倾斜角在沿沟道长度方向(A-A')切取的截面处变为θ。在第四实施例的制造方法中，倾斜角被设定以使得倾斜角在沿像素行或列方向切取的截面处变为Θ。在第四实施例的制造方法中，第三或第四抗蚀剂图案沿图6中的行方向对于每两个像素具有开口。除了以上的点以外，可以使用与第一实施例相同的制造方法。在根据第一到第三实施例中的每一个的制造方法中，在图2C所示的步骤中，离子被注入以形成重叠布置。即使不形成重叠布置，也可出于防止沟道效应的目的相对于半导体基板的表面的法线沿倾斜方向(在<100>基板的情况下，倾斜角典型地被设为7° )注入离子。如果像素的数量增加，那么，在为了防止沟道效应而沿倾斜方向注入离子时，被抗蚀剂遮蔽的部分出现问题。本发明也可适用于这种情况。如上所述，在本发明的各实施例中，为了形成光电二极管，通过使用对于每N个像素具有用于离子注入的开口的掩模(抗蚀剂图案)，执行N(为2或更大的自然数)次重叠离子注入。这使得能够在各像素区域内的宽区域上注入用于形成光电二极管的离子。通过该处理，在提高向FD传送电荷的效率的同时增加要在光电二极管中蓄积的信号电荷量、即饱和电荷量。虽然在以上的实施例中使用抗蚀剂图案作为用于离子注入的掩模，但是，可以使用所谓的硬掩模那样的其它掩模。可通过利用光刻法在构成硬掩模的材料层上形成抗蚀剂图案，并且通过使用抗蚀剂图案作为掩模进行蚀刻来对材料层进行构图，来形成硬掩模。虽然已参照示例性实施例说明了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。以下的权利要求的范围应被赋予最宽泛的解释以包含所有的变型方式以及等同的结构和功能。
权利要求
1.一种具有在半导体基板上形成的多个像素的固态图像传感器的制造方法，各像素包含光电转换器、电荷-电压转换器和栅极，所述栅极用于形成用于将在所述光电转换器中产生的电荷传送到所述电荷-电压转换器的沟道，所述方法包括离子注入步骤，用于将离子注入到所述半导体基板的要形成所述光电转换器的目标区域内，其中，离子注入步骤被执行N次，N是2或更大的自然数，在各离子注入步骤中，沿相对于所述半导体基板的表面的法线具有倾斜角的方向注入离子，注入离子的目标区域在各离子注入步骤中不同，并且，对于各离子注入步骤，在半导体基板上形成掩模，所述掩模对于每N个像素具有开口， 多个所述开口沿所述半导体基板的表面与由所述法线和所述具有倾斜角的方向确定的平面之间的交线的方向周期性布置。
2.根据权利要求1的方法，其中，所述目标区域包含所述栅极下面的区域。
3.根据权利要求1的方法，还包括同时离子注入步骤，用于同时将离子注入到所述多个像素的所有目标区域内。
4.根据权利要求1的方法，其中，所述开口的面积比所述目标区域的面积大。
5.根据权利要求1的方法，其中，离子注入步骤中的至少两个离子注入步骤的倾斜角相互不同。
6.根据权利要求1的方法，其中，离子注入步骤中的至少两个离子注入步骤的所述具有倾斜角的方向相互不同。
7.根据权利要求1的方法，其中，H · tan θ +Lpd+Lmin < N · P这里，P表示所述多个像素的沿所述交线的方向的阵列节距，θ表示倾斜角，H表示所述掩模的厚度，Lmin表示所述掩模的沿所述交线的方向的最小加工尺寸，以及Lpd表示所述光电转换器的沿沟道长度方向的宽度。
8.根据权利要求3的方法，还包括在同时离子注入步骤之前蚀刻由栅极的材料构成的栅极材料层的蚀刻步骤，其中，在同时离子注入步骤中使用的掩模包含在蚀刻步骤中使用的掩模的全部或一部
全文摘要
本发明公开了固态图像传感器的制造方法，该制造方法用于制造在基板上具有像素的传感器，各像素包含光电转换器、电荷-电压转换器和用于形成用于将光电转换器中的电荷传送到电荷-电压转换器的沟道的栅极，该方法包括将离子注入到基板的要形成光电转换器的目标区域内的步骤，其中，该步骤被执行N次，在步骤中的每一个中，离子沿相对于基板表面的法线具有倾斜角的方向被注入，注入离子的目标区域在各步骤中不同，并且，对于各步骤，在基板上形成对于每N个像素具有开口的掩模，多个开口沿表面和由法线和该方向确定的平面之间的交线的方向周期性布置。
文档编号H01L27/146GK102244084SQ20111011905
公开日2011年11月16日 申请日期2011年5月10日 优先权日2010年5月14日
发明者渡边高典 申请人:佳能株式会社