专利名称：固态图像传感器的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种固态图像传感器的制造方法。特别是，本发明涉及一种固态图像传感器的制造方法，该方法包括在固态图像传感器中形成和处理掩埋沟道区的步骤，该掩埋沟道区用作信号电荷的转移沟道，更具体地讲，本发明涉及一种实现了优异的输出图像质量和大饱和电荷的固态图像传感器的制造方法。
一般情况下，用在录像带照相机-录像机、数字静物照相机等中的固态图像传感器具有以下结构。在硅衬底上形成用于通过光电转换获得信号电荷的光电检测器部分(PD部分)和用于传送从光电检测器部分读出的信号电荷的移位寄存器(CCD部分)。在该硅衬底上，经过绝缘膜形成转移栅电极。此外，在转移栅电极上，依次有层间绝缘膜、在光电检测器部分上方具有开口的光屏蔽膜(用于遮蔽除了光电检测器部分以外的表面侧不受光线照射的膜)和表面保护膜。此外，如果需要的话，按顺序层叠整平膜、滤色器和微透镜。按照交替方式二维地设置光电检测器部分和移位寄存器(例如，垂直转移CCD部分)，并且一对光电检测器部分和移位寄存器(例如，垂直转移CCD部分)构成一个像素。通过给转移栅电极施加预定信号而驱动转移栅电极，来依次转移由光入射到光电检测器部分上而产生的电荷，然后作为图像信号从输出部分输出。
通过将离子注入到半导体衬底中形成光电检测器部分和移位寄存器。在用于形成光电检测器部分的离子注入中，将要注入的离子的动能使构成晶体的原子散射，这样产生很多点缺陷，例如成对的空位和空隙原子。当产生的诸如成对的空位和空隙原子的点缺陷的浓度增加时，它们当中的一些被限制在一起形成稳定的晶体缺陷。这增加了白点缺陷(一种图像缺陷)和暗电流，导致图像质量降低的问题。暗电流的增加也产生这样的问题即使当拍摄间距-暗物体的照片时，拍摄的图像看起来是灰色或者在有些极端情况下甚至是白色的。
为了解决这些问题，在用于形成光电检测器部分的离子注入之后，进行也用作其他目的的退火或高温加热处理，由此除去产生的诸如成对的空位和空隙原子的点缺陷。还建议离子注入工艺分为多个工艺在分开的时间进行，并且在每次离子注入之后进行退火(例如，参见JP 10(1998)-135441 A)。
另一方面，在用于形成移位寄存器的离子注入中，也产生诸如成对的空位和空隙原子的点缺陷。当它们当中的一些被限制在一起形成稳定的晶体缺陷时，产生所谓的白色垂直线的图像缺陷。然而，由于用于形成移位寄存器的离子注入的加速能量一般低于用于形成光电检测器部分的离子注入的加速能量，因此产生较少的点缺陷，例如可能产生晶体缺陷的成对的空位和空隙原子。相应地，通过调节离子注入的剂量，可以抑制图像缺陷的产生，由此不再需要附加的退火，所述退火不同于后面的高温加热处理以及除去了诸如成对的空位和空隙原子的点缺陷。
然而，随着像素变得越来越精细，像素面积减小，例如，与包括一对光电检测器部分和移位寄存器的一个像素相对应的表面面积为2.8μm×2.8μm或更小，其中一个像素，从而减少了饱和电荷(最大存储电荷)。为了补偿这种减少，提高光电检测器部分和移位寄存器中的杂质浓度(离子注入的剂量)。当杂质浓度增加时，在离子注入时产生更多的诸如成对的空位和空隙原子的点缺陷，从而由限制产生的晶体缺陷和稳定化点缺陷也增加，导致所谓了白色点缺陷、白色垂直线和暗电流的增加。因此，存在的问题是难以简单地通过在用于形成光电检测器部分的离子注入之后进行退火来实现图像质量的显著提高，如在JP 10(1998)-135441 A中所述的固态图像传感器中那样。此外，即使在像素不变精细的情况下，当必须增加饱和电荷(最大存储电荷)时，随着光电检测器部分和移位寄存器中的杂质浓度(离子注入的剂量)的增加，也出现相同的问题。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种固态图像传感器的制造方法，该固态图像传感器通过避免在移位寄存器和光电检测器部分中形成晶体缺陷，实现了优异的输出图像质量和大饱和电荷。
为了解决上述问题，根据本发明的固态图像传感器的制造方法包括在半导体衬底中形成用于光电转换的光电检测器部分，以及形成用于转移从光电检测器部分读出的信号电荷的移位寄存器，其中移位寄存器的形成包括在用于形成构成移位寄存器的掩埋沟道区的离子注入之后进行的退火。
而且，在上述根据本发明的固态图像传感器的制造方法中，优选移位寄存器包括n型掩埋沟道区和位于掩埋沟道区下面的p型区，用于形成移位寄存器的离子注入包括用于形成n型掩埋沟道区的第一离子注入和用于形成位于掩埋沟道区下面的p型区的第二离子注入，并且在第一离子注入和第二离子注入之后进行退火。
此外，在上述根据本发明的固态图像传感器的制造方法中，优选用于离子注入的杂质或用于第一离子注入的杂质是砷。
而且，在上述根据本发明的固态图像传感器的制造方法中，优选退火的温度设置为等于或高于此后的处理步骤的最高温度。
此外，在上述根据本发明的固态图像传感器的制造方法中，优选退火温度是950℃到1050℃。
另外，在上述根据本发明的固态图像传感器的制造方法中，优选退火的时间是20到60秒。
而且，在上述根据本发明的固态图像传感器的制造方法中，优选退火的加热速率是10℃/秒到100℃/秒。
此外，在上述根据本发明的固态图像传感器的制造方法中，优选退火在氮气氛中进行。
此外，当制造其中对应一个像素的表面面积等于或小于2.8μm×2.8μm的固态图像传感器时，根据本发明的上述固态图像传感器的制造方法是优选的，其中所述一个像素包括一对光电检测器部分和移位寄存器。
利用根据本发明的固态图像传感器的制造方法，通过在用于形成构成移位寄存器的掩埋沟道区的离子注入之后进行退火，优选为高温短时间快速加热退火，可以避免在移位寄存器和光电检测器部分中形成晶体缺陷，从而与常规固态图像传感器的图像信号相比，可以获得具有更少的白色点缺陷和白色垂直线以及更小暗电流的高质量的图像信号。换言之，即使当通过进行用于形成光电检测器部分的离子注入并且然后进行退火或随后的还用做其它目的的高温加热处理而使引起图像缺陷的晶体缺陷不应该产生时，如果用于形成移位寄存器的离子注入之后的退火不合适，则在半导体衬底中还会产生滑动(晶体沿着某个晶体取向滑动)或位错(晶体缺陷二维地或三维地对准)，其中所述用于形成移位寄存器的离子注入是在形成光电检测器部分之前或之后进行的。结果是，晶体缺陷有时不仅在移位寄存器中产生，而且在光电检测器部分中产生。本发明防止了包括晶体缺陷的移位寄存器的形成和包括位错和滑动的半导体衬底的形成，从而可以制成不受所产生的晶体缺陷影响的光电检测器部分。
而且，利用根据本发明的固态图像传感器的制造方法，通过进行用于形成n型掩埋沟道区的第一离子注入、用于形成位于掩埋沟道区下面的p型区的第二离子注入以及在第一离子注入和第二离子注入之后的退火，该退火优选为高温短时间快速加热处理，可以防止类似于上述的包括晶体缺陷的移位寄存器和光电检测器部分的形成，从而与常规固态图像传感器的图像信号相比，可以获得具有更少的白色点缺陷和白色垂直线以及更小的暗电流的高质量的图像信号。而且，可以减少由退火引起的杂质扩散的影响并抑制饱和电荷的减少。
此外，利用根据本发明的固态图像传感器的制造方法，砷用作用于形成掩埋沟道区的离子注入的杂质，或在形成n型掩埋沟道区和位于掩埋沟道区下面的p型区的情况下，用作用于形成n型掩埋沟道区的第一离子注入的杂质，由此抑制在移位寄存器中产生的晶体缺陷的数量。由于砷具有比磷更大的原子量，因此与使用磷时相比，当使用砷时由于离子注入产生更多的诸如成对的空位和空隙原子的点缺陷。然而，砷是优选的，因为其原子半径与硅接近，与使用磷的情况相比，通过在离子注入之后进行适当的退火，可以减少引起图像缺陷的诸如白色点缺陷和白色垂直线的晶体缺陷的产生。
而且，利用根据本发明的固态图像传感器的制造方法，退火温度设置为等于或高于后续步骤的最高温度，可以充分地修补在移位寄存器中产生的晶体缺陷，由此减少了白色垂直线和暗电流。此外，这也是优选的，因为可以减少由于在退火之后的步骤中的加热产生的离子注入杂质的扩散的影响，由此抑制了饱和电荷的减少。
而且，利用根据本发明的固态图像传感器的制造方法，优选将退火温度设置为等于或高于950℃，因为可以充分地修补在移位寄存器中产生的晶体缺陷，由此减少了白色垂直线和暗电流。优选将退火温度设置为等于或低于1050℃，因为可以抑制由于退火产生的滑动和位错，由此防止了白色点缺陷、白色垂直线和暗电流增加。
此外，利用根据本发明的固态图像传感器的制造方法，优选将退火时间设置为等于或长于20秒，因为可以充分地修补在移位寄存器中产生的晶体缺陷，因此减少白色垂直线和暗电流。优选将退火时间设置为等于或短于60秒，因为可以抑制由于退火产生的滑动和位错，由此防止白色点缺陷、白色垂直线和暗电流增加。
另外，利用根据本发明的固态图像传感器的制造方法，优选将退火的加热速率设置为等于或高于10℃/秒，因为可以充分地修补在移位寄存器中产生的晶体缺陷，因此减少了白色垂直线和暗电流。优选将退火的加热速率设置为等于或低于100℃/秒，因为可以抑制由于退火产生的滑动和位错，由此防止了白色点缺陷、白色垂直线和暗电流增加。
而且，利用上述根据本发明的固态图像传感器的制造方法，优选在氮气氛中进行退火，因为可以修补在移位寄存器中产生的晶体缺陷而不产生任何新的晶体缺陷。
此外，当制造其中对应一个像素的表面面积等于或小于2.8μm×2.8μm和更优选等于或小于2.4μm×2.4μm的固态图像传感器时，根据本发明的固态图像传感器的制造方法是优选的，其中所述一个像素包括一对光电检测器部分和移位寄存器。当为了补偿由于像素面积的减小引起的饱和电荷(最大存储电荷)的减少而增加将要注入的杂质浓度(离子注入的剂量)时，在离子注入时产生的诸如成对的空位和空隙原子的点缺陷的数量可能增加。然而，本发明是优选的，因为可以提供一种防止这些晶体缺陷的产生并且可以按照优选方式响应日益变精细的像素的固态图像传感器的制造方法。
图1是示出本发明的实施例中的固态图像传感器的剖面图。
发明的详细说明下面参照附图具体说明本发明的实施例。
图1是示出本发明实施例中的固态图像传感器的剖面图。应该注意的是，该图实质上只示出了构成固态图像传感器的一个像素。常用的固态图像传感器实际上由二维排列的多个像素构成，每个像素包括如图1所示的光电检测器部分和移位寄存器(垂直转移CCD部分)。
如下形成该固态图像传感器。在n型硅衬底1上形成P型阱层2。在p型阱层2中，按照被p型区5分离的方式形成n型掩埋沟道区3和用作光电检测器部分的n型光电二极管区4。n型光电二极管区4的上部中的光电检测器部分的表面优选设有用于除去Si/SiO2界面影响(由界面状态等产生的暗电流和白色点缺陷的负面影响)的p型高浓度区6。这里，SiO2是绝缘膜8的典型材料。优选p型区7形成在n型掩埋沟道区3的下面。在n型掩埋沟道区3上，经由SiO2膜的绝缘膜8形成由多晶硅等构成的转移栅电极9。在转移栅电极9的上表面上形成由钨等构成并在用作光电检测器部分的光电二极管上方具有开口区域的光屏蔽膜10。在转移栅电极9和光屏蔽膜10之间形成层间绝缘膜11。
通过重复形成和剥离光刻胶和离子注入形成在上述固态图像传感器中的n型掩埋沟道区3和用作光电检测器部分的n型光电二极管区4。也可以由公知技术形成转移栅电极9、光屏蔽膜10和层间绝缘膜11。
现在，说明根据本实施例的固态图像传感器的制造方法的特性。
根据本发明的本实施例的固态图像传感器的制造方法包括在用于形成n型掩埋沟道区3的离子注入之后进行退火。在本实施例中，优选使用砷进行用于形成n型掩埋沟道区3的离子注入。在图1所示的固态图像传感器的情况下，按顺序进行用于形成n型掩埋沟道区3的第一离子注入、用于形成位于n型掩埋沟道区3下面的p型区7的第二离子注入以及退火。退火优选为在氮气氛中进行的高温短时间快速加热退火。以这种方式，通过在离子注入之后进行退火，优选为高温短时间快速加热退火，可以在点缺陷限制在一起形成稳定晶体缺陷之前，除去在离子注入中产生的诸如成对的空位和空隙原子的点缺陷。尽管没有特别限制，但是例如硼可以用于第二离子注入。
这里，优选退火温度是950℃到1050℃。退火温度等于或高于950℃可以充分地修补在移位寄存器中产生的晶体缺陷，由此减少白色垂直线和暗电流。退火温度等于或低于1050℃可以抑制由于退火产生的滑动和位错，由此防止白色点缺陷、白色垂直线和暗电流的增加。
此外，优选退火时间是20到60秒。还优选的是用于形成掩埋沟道区的离子注入的杂质是砷。为了抑制由于用于激活杂质的退火产生的杂质扩散，优选在高温(950到1050℃)下在短时间(20到60秒)内进行退火，代替在长时间(10分钟到几小时)内在相对低的温度(800到900℃)下进行退火。通过这种方式，缩短了退火时间，从而抑制了注入的杂质的扩散，并且升高退火温度从而补偿由于缩短的退火时间而减少的退火效果。
加热速率优选等于或高于10℃/秒。原因是如果在小于10℃/秒下经过600℃到700℃的温度范围，由离子注入产生的主要缺陷可能限制在一起形成缺陷丛。这种缺陷丛生长从而形成二次缺陷，甚至通过在高于700℃的温度下加热也难以修补该二次缺陷。另一方面，加热速率优选等于或低于100℃/秒，因为加热速率高于100℃/秒可能在退火炉中的晶片中产生滑动。
而且，优选退火气氛是氮气氛。原因是在氮气氛中进行退火可以修补在移位寄存器中产生的晶体缺陷而不产生任何新的晶体缺陷。
当针对白色点缺陷和白色垂直线检查成像装置中的输出屏幕时，在使用常规固态图像传感器的成像装置的输出屏幕中产生白色点缺陷和白色垂直线，其中该常规固态图像传感器是通过用于形成移位寄存器的离子注入然后不进行退火来制造的。另一方面，在使用根据本实施例的固态图像传感器的成像装置中没有发现白色点缺陷或白色垂直线，或者发现极少量的白色点缺陷和白色垂直线。
此外，在根据本实施例的固态图像传感器中产生的暗电流可以比常规固态图像传感器中的暗电流少很多，其中所述常规固态图像传感器是通过用于形成移位寄存器的离子注入然后不进行退火来制造的。
因此，根据本发明的实施例的固态图像传感器的制造方法可以防止包括晶体缺陷的移位寄存器和光电检测器部分的形成，由此提高了产量。
尽管在上述例子中使用n型硅衬底1形成固态图像传感器，但是还可以按照相同方式使用p型硅衬底来形成固态图像传感器。此时，图1中所示的p型阱层2不必形成在半导体衬底中，并且实际上可以使用p型硅衬底。
由于本发明的目的是减少由移位寄存器中的晶体缺陷引起的图像缺陷的产生，因此本发明主要重点在于这个特殊点，并且其说明针对一种其中减少了移位寄存器中的晶体缺陷的固态图像传感器的制造方法。因此，在本发明中不特别限制在用于形成光电检测器部分的离子注入之后的退火。在用于光电检测器部分的离子注入之后的退火可以适当采用，但是并不总是必须的。例如，在减少离子注入的剂量或在用于光电检测器部分的离子注入之后进行热处理(不针对额外退火的高温热处理，该额外退火特别用于修补晶体缺陷，例如之后的表面整平处理)的情况下，可以省略用于光电检测器部分的离子注入之后的退火。甚至在用于光电检测器部分的离子注入之后进行退火的情况下，在用于光电检测器部分的离子注入之后的退火和在用于移位寄存器的离子注入之后的退火的顺序可以按照需要根据所采用的制造工艺来适当地确定。而且，退火可以适当地在用于光电检测器部分的离子注入和用于移位寄存器的离子注入中的每一个注入之后进行，或者可以在完成这两个离子注入之后或只在如上所述的用于移位寄存器的离子注入之后一次进行，这可以按照需要，并取决于要采用的生产工艺。上述实施例和下面所述的例子按顺序采用用于光电检测器部分的离子注入、光电检测器部分的退火(炉退火)、用于移位寄存器的离子注入和移位寄存器的退火(RTA快速热退火)。
下面，为了便于理解本发明，将进一步借助例子说明本发明。然而，应该注意的是，本发明不受这个例子中所述方式的限制。
例1下面是参照图1对本发明的例子进行的详细说明。
图1是示出本发明的例子中的固态图像传感器的剖面图。如前所述，应该注意的是，该图实质上只示出了构成固态图像传感器的一个像素。常用的固态图像传感器实际上由二维排列的多个像素构成，每个像素包括如图1所示的光电检测器部分和移位寄存器(垂直转移CCD部分)。
如下制造该固态图像传感器。通过高能硼离子注入(1800keV，1.5×1011cm-2)在n型硅衬底1上形成p型阱2。在p型阱2中，通过砷离子注入(550keV，2.6×1012cm-2)形成用作光电检测器部分的n型光电二极管区4，然后在氮气氛中进行退火(1000℃，20分钟)。之后，通过砷离子注入(110keV，5.8×1012cm-2)形成n型掩埋沟道区3，并且通过硼离子注入(180keV，8×1011cm-2)形成位于掩埋沟道区下面的p型区7，随后在氮气氛中进行退火(1000℃，40秒，加热/冷却速率为50℃/秒)。接着，通过热氧化(900℃)形成由氧化硅膜(厚度300nm)形成的绝缘膜8。按照分开n型掩埋沟道区3和n型光电二极管区4的方式通过硼离子注入(40keV，7×1012cm-2)形成p型区5。
然后，通过CVD法(化学汽相淀积530℃)生长多晶硅膜(厚度250nm)，并通过干刻蚀形成为转移栅电极9。此后，通过热氧化(900℃)用氧化硅膜覆盖转移栅电极9。该氧化硅膜对应于层间绝缘膜11的一部分，这将在后面说明。n型光电二极管区4的上部中的光电检测器部分的表面设有用于除去由于硼离子注入(10keV，5×1013cm-2)产生的Si/SiO2界面影响的p型高浓度区6。随后，通过CVD法(680℃)形成由SiO2(厚度60nm)构成的层间绝缘膜11，通过溅射形成由钨构成的光屏蔽膜10(厚度200nm)，并且通过干刻蚀在光电检测器部分上方形成开口区域，由此获得固态图像传感器。对应一个像素的表面面积是2.4μm×2.4μm，其中所述一个像素包括一对光电检测器部分和移位寄存器。
在本例中的如此获得的固态图像传感器的输出屏幕中，检查白色点缺陷、白色垂直线和暗电流。在使用常规固态图像传感器的成像装置的输出屏幕中在3000000个像素中发现在5个像素中有白色点缺陷，并且产生2个白色垂直线，其中所述常规固态图像传感器是通过用于形成移位寄存器的离子注入然后不进行退火来制造的。另一方面，在使用本例的固态图像传感器的成像装置中未发现白色点缺陷或白色垂直线。
此外，当测量在本例的固态图像传感器中产生的暗电流时，在60℃的温度条件下是0.5mV。另一方面，在测量时同时保持其它条件相同，在常规固态图像传感器的情况下产生的暗电流是1mV，其中所述常规固态图像传感器是通过用于形成移位寄存器的离子注入然后不进行退火来制造的。这证实了通过本例的固态图像传感器的制造方法可以基本上使暗电流减少一半。
因此，根据本发明的固态图像传感器的制造方法可以防止包括晶体缺陷的移位寄存器和光电检测器部分的形成，由此提高了产量。
尽管在上述例子中使用n型硅衬底1形成了固态图像传感器，但是还可以按照相同方式使用p型硅衬底来形成。此时，图1所示的p型阱层2不必形成在衬底中，并且实际上可以使用p型硅衬底。
本发明提供一种固态图像传感器的制造方法，该固态图像传感器防止包括晶体缺陷的移位寄存器和光电检测器部分的形成，实现了优异的输出图像质量和大饱和电荷，并可用于录像带照相机-录像机、数字静物照相机等。
本发明可以用其它方式体现而不会脱离其精神或主要特性。本申请中所公开的实施例在所有方面都被认为只是说明性的而非限制性的。本发明的范围由所附权利要求书来指示而不是由前述说明来指示，并且落入权利要求书的含义和等效范围内的所有改变都趋于包含在本发明的范围内。
权利要求
1.一种固态图像传感器的制造方法，包括在半导体衬底中形成用于光电转换的光电检测器部分；以及形成用于转移从所述光电检测器部分读出的信号电荷的移位寄存器；其中所述移位寄存器的形成包括在离子注入之后进行的退火，所述离子注入用于形成构成所述移位寄存器的掩埋沟道区。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述移位寄存器包括n型掩埋沟道区和位于该掩埋沟道区下面的p型区，用于形成所述移位寄存器的所述离子注入包括用于形成所述n型掩埋沟道区的第一离子注入和用于形成位于所述掩埋沟道区下面的所述p型区的第二离子注入，以及在所述第一离子注入和所述第二离子注入之后进行所述退火。
3.根据权利要求1所述的方法，其中用于所述离子注入的杂质是砷。
4.根据权利要求2所述的方法，其中用于所述第一离子注入的杂质是砷。
5.根据权利要求1所述的方法，其中将所述退火的温度设为等于或高于随后步骤的最高温度。
6.根据权利要求2所述的方法，其中将所述退火的温度设为等于或高于随后步骤的最高温度。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述退火温度是950℃到1050℃。
8.根据权利要求2所述的方法，其中所述退火温度是950℃到1050℃。
9.根据权利要求5所述的方法，其中所述退火的时间是20到60秒。
10.根据权利要求6所述的方法，其中所述退火的时间是20到60秒。
11.根据权利要求5所述的方法，其中所述退火的加热速率是10℃/秒到100℃/秒。
12.根据权利要求6所述的方法，其中所述退火的加热速率是10℃/秒到100℃/秒。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述退火在氮气氛中进行。
14.根据权利要求2所述的方法，其中所述退火在氮气氛中进行。
15.根据权利要求1所述的方法，其中对应单个像素的表面面积等于或小于2.8μm×2.8μm，其中所述单个像素包括一对所述光电检测器部分和所述移位寄存器。
16.根据权利要求2所述的方法，其中对应单个像素的表面面积等于或小于2.8μm×2.8μm，其中所述单个像素包括一对所述光电检测器部分和所述移位寄存器。
全文摘要
一种固态图像传感器的制造方法包括以下步骤在半导体衬底中形成用于光电转换的光电检测器部分；以及形成用于转移从光电检测器部分读出的信号电荷的移位寄存器，在用于形成构成移位寄存器的掩埋沟道区的离子注入之后进行退火。可以提供一种固态图像传感器的制造方法，避免在移位寄存器和光电检测器部分中形成晶体缺陷，实现优异的输出图像质量和大饱和电荷。
文档编号H01L21/02GK1728398SQ20051008795
公开日2006年2月1日 申请日期2005年7月26日 优先权日2004年7月26日
发明者铃木政胜, 吉田贡 申请人:松下电器产业株式会社