專利名稱：固態(tài)圖像拾取裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種固態(tài)圖像拾取設(shè)置，其中像素大小可微型化而不降低飽和電荷量(Qs)和靈敏度。
背景技術(shù)：
CMOS型(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)型固態(tài)圖像拾取裝置作為固態(tài)圖像拾取裝置已經(jīng)公知。該CMOS型固態(tài)圖像拾取裝置由以預(yù)定圖案設(shè)置的多個(gè)像素組成，其中一個(gè)像素由光電二極管以及多個(gè)晶體管組成，即，所謂的MOS(金屬氧化物半導(dǎo)體)晶體管。光電二極管是用于相應(yīng)所接收的入射光量產(chǎn)生和累加信號(hào)電荷的光電轉(zhuǎn)換裝置。
附圖中的圖1是示出應(yīng)用到圖像傳感器的現(xiàn)有技術(shù)CMOS型固態(tài)圖像拾取裝置的一個(gè)實(shí)施例的示意剖視圖。具體的是，圖1示出了像素的主要部分。如圖1所示，在該CMOS型固態(tài)圖像拾取裝置51中，用于分開(kāi)每個(gè)像素的像素隔離區(qū)65形成在第一導(dǎo)電型(first conductivity type)，例如p型硅半導(dǎo)體襯底52上。光電二極管53和多個(gè)MOS晶體管，即，電荷讀取(readout)晶體管54，復(fù)位(reset)晶體管55，放大晶體管56以及垂直選擇晶體管(未示出)這四個(gè)MOS晶體管形成在每個(gè)隔離區(qū)上，并且由此構(gòu)成單元像素60。然而，大量的像素60以二維矩陣形式(即，以XY矩陣形式)排列。
光電二極管53由第二導(dǎo)電型，即n型半導(dǎo)體區(qū)61(n+區(qū)61a，61b)以及在n型半導(dǎo)體區(qū)61的表面上形成的具有高雜質(zhì)濃度的p型半導(dǎo)體區(qū)(p+區(qū))62組成，其中該n型半導(dǎo)體區(qū)61從p型半導(dǎo)體襯底的表面通過(guò)離子注入預(yù)定深度而形成。
每個(gè)MOS晶體管54，55以及56構(gòu)造如下。在p型半導(dǎo)體襯底52的表面上，通過(guò)離子注入形成具有高雜質(zhì)濃度的n型半導(dǎo)體區(qū)，即n+源漏區(qū)57，58以及59以便連接光電二極管53。
電荷讀取晶體管54由n+源漏區(qū)57，在光電二極管53的表面?zhèn)壬暇哂懈唠s質(zhì)濃度的n+區(qū)61a以及通過(guò)柵絕緣膜71在兩個(gè)區(qū)57和61a之間的襯底72上形成的柵電極72組成。
復(fù)位晶體管55由n+源漏區(qū)57和58以及通過(guò)柵絕緣膜71在兩個(gè)區(qū)57和58之間的襯底52上形成的柵電極73組成。n+源漏區(qū)57是稱作漂移擴(kuò)散(FD，floating diffusion)區(qū)。
放大晶體管56由n型源漏區(qū)58和59以及通過(guò)柵絕緣膜71在兩個(gè)區(qū)58和59上形成的柵電極74組成。
盡管未示出，以相同的方式，垂直選擇晶體管由一對(duì)源漏區(qū)以及通過(guò)柵絕緣膜在兩個(gè)區(qū)之間的襯底52上形成的柵電極組成。
每個(gè)MOS晶體管的電路連線與下文中將要描述的類似，因此不必進(jìn)行描述。用于連接每個(gè)像素的復(fù)位晶體管55和放大晶體管56的n型源漏區(qū)58通過(guò)連接器導(dǎo)體75連接到電源連線(interconnection)76上。此外，包括電源連線76的多層連線77通過(guò)中間層絕緣體78形成在襯底52上。
該CMOS型固態(tài)圖像拾取裝置51將光從半導(dǎo)體襯底52的表面?zhèn)葌魅牍怆姸O管53中，其由光電二極管53將入射光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，然后對(duì)應(yīng)所接收的入射光量累加信號(hào)電荷。
所引用的專利文獻(xiàn)1提出一種MOS型圖像傳感器的固態(tài)圖像拾取裝置，其中在相同襯底的相同平面上形成光電二極管，電荷讀取晶體管，復(fù)位晶體管，放大晶體管以及包括上述單元像素的垂直傳遞(vertical transfer)晶體管(見(jiàn)所引用的專利文獻(xiàn)1)。
日本官方公報(bào)已公開(kāi)專利申請(qǐng)No.11-122532盡管上述CMOS型固態(tài)圖像拾取裝置51被微型化以便以高集成度集成大量像素60，但由于多個(gè)晶體管如光電二極管53和電荷讀取晶體管設(shè)置在特別是每個(gè)像素區(qū)的相同平面上，因此每個(gè)像素在該平面上需要面積并且一個(gè)像素的面積增加是不可避免的。因?yàn)檫@個(gè)原因，將像素大小微型化變得困難。當(dāng)像素大小微型化時(shí)，光電二極管53的面積減小并且產(chǎn)生問(wèn)題，其中飽和電荷量(Qs)降低并且其中靈敏度降低。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)前述方面，本發(fā)明的目的是提供一種固態(tài)圖像拾取裝置，其中像素大小可微型化而不降低飽和電荷量(Qs)和靈敏度。
根據(jù)本發(fā)明的方面，提供一種固態(tài)圖像拾取裝置，其由光電二極管以及晶體管所組成的像素以及具有像素形成在其上的半導(dǎo)體襯底組成，其中在光電二極管的高濃度區(qū)之間形成的pn結(jié)部分在半導(dǎo)體襯底內(nèi)形成，并且光電二極管的pn結(jié)部分的一部分延伸到在半導(dǎo)體襯底表面上形成的晶體管的下部。
在根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)圖像拾取裝置中，像素包括電荷讀取晶體管，其用于從光電二極管讀出信號(hào)電荷，電荷讀取晶體管的溝道部分形成在半導(dǎo)體襯底表面的深度方向。
在根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)圖像拾取裝置中，電荷讀取晶體管包括柵電極以及柵絕緣膜，兩者底部形成在比光電二極管的pn結(jié)更深的位置上。
在根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)圖像拾取裝置中，電荷讀取晶體管和光電二極管包括對(duì)應(yīng)兩者連接部的柵電極，該柵電極可位于光電二極管的中心部。
在根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)圖像拾取裝置中，電荷讀取晶體管包括第二導(dǎo)電型源漏區(qū)，第二導(dǎo)電型源漏區(qū)中的一個(gè)用作還構(gòu)成光電二極管的第二導(dǎo)電型半導(dǎo)體區(qū)。
在根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)圖像拾取裝置中，電荷讀取晶體管具有由通過(guò)離子注入形成的構(gòu)成光電二極管的第二導(dǎo)電型半導(dǎo)體區(qū)和在電荷讀取晶體管的半導(dǎo)體襯底表面上形成的另一第二導(dǎo)電型半導(dǎo)體區(qū)之間的距離所確定的有效溝道長(zhǎng)度。
在根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)圖像拾取裝置中，電荷讀取晶體管包括形成在構(gòu)成光電二極管的第二導(dǎo)電型半導(dǎo)體區(qū)以及柵絕緣膜之間、在與電荷讀取晶體管的柵電極的外圍部分或者柵電極的底部對(duì)應(yīng)的部分中形成的第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體區(qū)。
此外，在本發(fā)明的固態(tài)圖像拾取裝置中，構(gòu)成光電二極管的第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體區(qū)以及電荷讀取晶體管的柵絕緣膜之間形成第一導(dǎo)電型或者第二導(dǎo)電型半導(dǎo)體區(qū)，其濃度低于高濃度半導(dǎo)體區(qū)的濃度。
此外，在本發(fā)明的固態(tài)圖像拾取裝置中，半導(dǎo)體襯底將光從其后面?zhèn)魅牍怆姸O管中。
根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)圖像拾取裝置，由于形成在光電二極管的高濃度區(qū)之間的pn結(jié)設(shè)置在半導(dǎo)體襯底的內(nèi)部，這樣pn結(jié)的一部分可延伸到形成在半導(dǎo)體襯底的表面上的晶體管的下部，因此即使當(dāng)像素面積減小時(shí)，可保持光電二極管的大面積。因此，可以微型化像素大小而不降低飽和電荷量(Qs)以及靈敏度。
在像素中，通過(guò)從半導(dǎo)體襯底表面在深度方向上形成電荷讀取晶體管的溝道部分，使得晶體管和光電二極管可形成在上下方向上以三維形式互相重疊。因此，實(shí)現(xiàn)像素大小的微型化變得可能并增加光電二極管面積。
電荷讀取晶體管的柵電極和柵絕緣膜的底部形成在比光電二極管的pn結(jié)的深度更深的位置上，由此，溝道部分可以可靠地形成在光電二極管和源漏區(qū)之間。因此，可以使得電荷讀取晶體管的操作更加可靠。
電荷讀取晶體管的柵電極形成在光電二極管的中心部位置，由此與光電二極管的距離以及與柵電極的距離可相等。因此，可將所有的信號(hào)電荷從光電二極管有效傳到電荷讀取晶體管而沒(méi)有剩余電荷。
由于電荷讀取晶體管的一個(gè)第二導(dǎo)電型源漏區(qū)還作為構(gòu)成光電二極管的第二導(dǎo)電型半導(dǎo)體區(qū)，因此可以確定電荷讀取晶體管的有效溝道長(zhǎng)度。
由于根據(jù)通過(guò)離子注入形成的第二導(dǎo)電型半導(dǎo)體區(qū)和在電荷讀取晶體管的襯底表面上形成的另一第二導(dǎo)電型源漏區(qū)之間的長(zhǎng)度而確定電荷讀取晶體管的有效溝道長(zhǎng)度，因此即使當(dāng)某些漂移(dispersion)在電荷讀取晶體管的柵電極的底部位置產(chǎn)生時(shí)，也能防止有效溝道長(zhǎng)度受擾動(dòng)并且因此可以提供高可靠的固態(tài)圖像拾取裝置。
由于第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體區(qū)設(shè)置在第二導(dǎo)電型半導(dǎo)體區(qū)和光電二極管的柵絕緣膜之間、與電荷讀取晶體管的柵電極的外圍部分和柵電極的底部對(duì)應(yīng)的部分上，因此可以抑制由于光電二極管的缺陷所導(dǎo)致的漏電流的出現(xiàn)。
由于濃度低于高濃度半導(dǎo)體區(qū)的濃度的第一導(dǎo)電型或者第二導(dǎo)電型半導(dǎo)體區(qū)形成在第一導(dǎo)電型高濃度半導(dǎo)體區(qū)和光電二極管的柵絕緣膜之間，因此信號(hào)電荷容易在電荷讀取晶體管中傳遞并維持光電二極管的電荷累積量。
由于光從半導(dǎo)體區(qū)的后表面?zhèn)魅牍怆姸O管，同時(shí)光電二極管的面積增加，因此可以微型化像素大小而不降低飽和電荷量和靈敏度。


圖1是示出現(xiàn)有技術(shù)的固態(tài)圖像拾取裝置的主要部分的示意剖視圖；圖2是示出本發(fā)明的實(shí)施例的固態(tài)圖像拾取裝置的單元像素的等效電路的電路圖；圖3是示出本發(fā)明的實(shí)施例的固態(tài)圖像拾取裝置的示意剖視圖；
圖4是示出本發(fā)明的另一實(shí)施例的固態(tài)圖像拾取裝置的主要部分的局部剖視圖；以及圖5A到5F是示出制造本發(fā)明的實(shí)施例的固態(tài)圖像拾取裝置的方法的各個(gè)工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面參考附圖描述本發(fā)明。
圖2是示出應(yīng)用到固態(tài)圖像拾取裝置，即本發(fā)明的實(shí)施例的CMOS型固態(tài)圖像裝置的單元像素的等效電路的示意電路圖。
該CMOS型固態(tài)圖像拾取裝置的單元像素，在圖2中用附圖標(biāo)記20表示，由光電二極管3，四個(gè)MOS晶體管，即電荷讀取晶體管4，復(fù)位晶體管5，放大晶體管6以及垂直選擇晶體管7組成。光電二極管3連接到電荷讀取晶體管4的一個(gè)主電極上，并且電荷讀取晶體管4的另一個(gè)主電極連接到復(fù)位晶體管5的一個(gè)主電極上。復(fù)位晶體管5的另一主電極連接到放大晶體管6的一個(gè)主電極上，并且放大晶體管6的另一個(gè)主電極連接到垂直選擇晶體管7一個(gè)主電極上。
與電荷讀取晶體管4和復(fù)位晶體管5之間的連接點(diǎn)對(duì)應(yīng)的FD(漂移擴(kuò)散)區(qū)連接到放大晶體管6的柵電極上。復(fù)位晶體管5和放大晶體管6之間的連接點(diǎn)連接到從電壓源Vdd導(dǎo)出的電源線8上。此外，垂直選擇晶體管7的另一主電極連接到垂直信號(hào)線9上。水平選擇晶體管17連接在垂直信號(hào)線9和水平信號(hào)線(未示出)之間。
然后，垂直讀取脈沖φTG施加到電荷讀取晶體管4的柵極上，復(fù)位脈沖φR施加到復(fù)位晶體管5的柵極并且垂直選擇脈沖φSEL施加到垂直選擇晶體管7的柵極。
大量單元像素20以二維矩陣形成(以XY矩陣形式)設(shè)置，由此構(gòu)造成CMOS型固態(tài)圖像拾取裝置。
在該單元像素20中，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換，信號(hào)電荷在光電二極管4中累積。垂直讀取脈沖φTG施加到電荷讀取晶體管4的柵極上，以導(dǎo)通(conduct)電荷讀取晶體管4，并且光電二極管3的信號(hào)電荷傳送到FD區(qū)以改變FD區(qū)中的電壓。信號(hào)電壓從FD區(qū)施加到放大晶體管6的柵極上并且通過(guò)放大晶體管6轉(zhuǎn)換成信號(hào)電流。另一方面，垂直選擇信號(hào)φSEL施加到垂直選擇晶體管7的柵極以導(dǎo)通垂直選擇晶體管7，這樣信號(hào)電流出現(xiàn)在垂直信號(hào)線9上。該信號(hào)電流通過(guò)水平選擇晶體管17提供給水平信號(hào)線(未示出)并且響應(yīng)垂直選擇脈沖(未示出)從輸出單元(未示出)輸出到外部。
下面參考圖3描述固態(tài)圖像拾取裝置，即根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的CMOS型固態(tài)圖像拾取裝置。在該實(shí)施例中，盡管本發(fā)明應(yīng)用到如圖2所示的包括一個(gè)光電二極管和四個(gè)晶體管的單元像素20的CMOS型固態(tài)圖像拾取裝置中，但本發(fā)明并不局限于此，且還可應(yīng)用到包括由數(shù)量與上述包括單元像素20的晶體管的不同的MOS晶體管所組成的其他單元像素的CMOS型固態(tài)圖像拾取裝置中。
圖3是示出像素，即由光電二極管3以及電荷讀取晶體管4，復(fù)位晶體管5和放大晶體管6三個(gè)晶體管組成的單元像素的主要部分的示意剖視圖。
在根據(jù)該實(shí)施例的CMOS型固態(tài)圖像拾取裝置1中，用于分開(kāi)每個(gè)像素的像素隔離區(qū)25形成在第一導(dǎo)電型如p型硅半導(dǎo)體襯底2的表面上，并且光電二極管3和多個(gè)MOS晶體管，在該實(shí)施例中為電荷讀取晶體管4，復(fù)位晶體管5，放大晶體管6以及垂直選擇晶體管(未示出)這四個(gè)晶體管形成在每個(gè)像素隔離區(qū)25中，由此形成單元像素20。多個(gè)單元像素20以二維矩陣形式排列。像素隔離區(qū)25由場(chǎng)絕緣膜(SiO2)膜形成。
根據(jù)該實(shí)施例，特別是，多個(gè)MOS晶體管，即，電荷讀取晶體管4，復(fù)位晶體管5，放大晶體管6以及垂直選擇晶體管(未示出)形成在半導(dǎo)體襯底2的表面上，并且光電二極管3以其可位于電荷讀取晶體管4，復(fù)位晶體管5，放大晶體管6和垂直選擇晶體管(未示出)下面的方式形成在半導(dǎo)體襯底2的內(nèi)部。同時(shí)，用于從光電二極管3讀取信號(hào)電荷的電荷讀取晶體管4的溝道部分形成在深度方向，優(yōu)選的是，在相對(duì)半導(dǎo)體襯底2表面的垂直方向上。
如圖3所示，光電二極管3由p型半導(dǎo)體區(qū)(p+區(qū))12和n型半導(dǎo)體區(qū)11組成，p型半導(dǎo)體區(qū)12具有高雜質(zhì)濃度，形成在半導(dǎo)體襯底2的表面?zhèn)?，n型半導(dǎo)體區(qū)11由連接p型半導(dǎo)體區(qū)12的高濃度雜質(zhì)區(qū)(n+區(qū))11A以及低雜質(zhì)濃度區(qū)(n區(qū))11B組成，并且其形成在朝向半導(dǎo)體襯底2的后側(cè)的深度方向上。主(principal)pn結(jié)j位于半導(dǎo)體襯底2內(nèi)并且其以pn結(jié)的一部分可延伸到MOS晶體管的下側(cè)部的方式形成。在這種情況下，如圖3清楚所見(jiàn)，光電二極管3形成為當(dāng)從半導(dǎo)體襯底2的表面?zhèn)瓤磿r(shí)橫跨由像素隔離區(qū)25分開(kāi)的相鄰單元像素20的區(qū)域。當(dāng)從半導(dǎo)體襯底2的后側(cè)看時(shí)，光電二極管3的區(qū)域?qū)?yīng)于單元像素20的區(qū)域。
在電荷讀取晶體管4中，高雜質(zhì)濃度n型半導(dǎo)體區(qū)，即所謂的n+源漏區(qū)14形成在半導(dǎo)體襯底2的表面上。同樣，凹槽部18形成在光電二極管3上，例如在從半導(dǎo)體襯底2的表面比pn結(jié)j更深的位置上以其可連接n+源漏區(qū)14的方式形成。換句話說(shuō)，凹槽部18形成在通過(guò)pn結(jié)j到達(dá)n+區(qū)11A內(nèi)部的深度方向上，優(yōu)選的是，垂直方向上的凹槽部18可相對(duì)襯底表面形成。柵絕緣膜(如，氧化硅膜等)10形成在凹槽部18的內(nèi)壁上、橫跨n+源漏區(qū)14以及光電二極管3的n+區(qū)11A，并且柱狀柵電極19形成在柵絕緣膜10上以便隱藏凹槽部18。結(jié)果是，電荷讀取晶體管4的溝道部21形成在深度方向，優(yōu)選的是，形成在與凹槽部18的內(nèi)壁對(duì)應(yīng)的半導(dǎo)體襯底2的表面垂直的方向上。柵電極19和柵絕緣膜10的底部可對(duì)應(yīng)于光電二極管3的pn結(jié)j的深度位置形成。
此外，在與包括電荷讀取晶體管4的柵電極19的底部的下側(cè)外圍部分對(duì)應(yīng)的部分中，具有雜質(zhì)濃度低于p+半導(dǎo)體區(qū)12或者n型半導(dǎo)體區(qū)(n-區(qū))13a的雜質(zhì)濃度的p型半導(dǎo)體區(qū)(p-區(qū))，在這個(gè)實(shí)施例中，p-區(qū)形成在構(gòu)成光電二極管3的n+區(qū)11A和柵絕緣膜10之間。同樣，在構(gòu)成光電二極管3的具有高雜質(zhì)濃度的p型半導(dǎo)體區(qū)(p+區(qū))12中，柵絕緣膜10附近的部分13b作為具有低雜質(zhì)濃度的p型區(qū)(p-區(qū))形成。在這種情況下，p-區(qū)13a和p-區(qū)13b可形成為具有相同的雜質(zhì)濃度。
然而，一個(gè)n+源漏區(qū)14，還作為另一n+源漏區(qū)的光電二極管3的n+區(qū)11A以及柵電極19構(gòu)成電荷讀取晶體管4。該n+源漏區(qū)14成為FD(漂移擴(kuò)散)區(qū)。
由光電二極管3光電轉(zhuǎn)換和累積的所有信號(hào)電荷將從光電二極管3高效讀取到電荷讀取晶體管4中。因此，與電荷讀取晶體管4和光電二極管3之間的連接部對(duì)應(yīng)的電荷讀取晶體管4的柵極部，即柵電極19將在中心位置形成，其中該位置上與光電二極管3的外圍部分的距離基本相同，如圖3所示。在圖3中，柵電極19形成以便通過(guò)柵絕緣膜10與源漏區(qū)14以及像素隔離區(qū)25接觸。
在上述n+源漏區(qū)14形成的同時(shí)，具有高雜質(zhì)濃度的n型半導(dǎo)體區(qū)，即，n+源漏區(qū)15和16形成在p型半導(dǎo)體襯底2的另一表面上。
接著，復(fù)位晶體管15由n+源漏區(qū)14和15以及在兩個(gè)n+源漏區(qū)14和15之間通過(guò)柵絕緣膜10形成在p型半導(dǎo)體襯底12上的柵電極24組成。同樣，放大晶體管16由n+源漏區(qū)15和16以及在兩個(gè)源漏區(qū)15和16之間通過(guò)柵絕緣膜10形成在p型半導(dǎo)體襯底2上的柵電極24組成。盡管未示出，垂直選擇晶體管(見(jiàn)圖2)也由一對(duì)源漏區(qū)和以類似方式在這對(duì)源漏區(qū)之間通過(guò)柵絕緣膜10形成在p型半導(dǎo)體襯底2上的柵電極組成。
每個(gè)上述的柵電極19，23以及24可例如由多晶硅膜形成。同樣，連接導(dǎo)體24和連線27，28等也可例如由多晶硅膜形成。
包括電源連線28的多層連線27在半導(dǎo)體襯底2上通過(guò)中間層絕緣體26形成，在該半導(dǎo)體襯底2上形成MOS晶體管4到6，垂直選擇晶體管等。多層連線中，電源連線28通過(guò)連接導(dǎo)體29連接到n+源漏區(qū)14上，該源漏區(qū)用作每個(gè)像素的FD(漂移擴(kuò)散)區(qū)。
盡管在上述實(shí)施例中，具有低雜質(zhì)濃度的p型半導(dǎo)體區(qū)(p-區(qū))13a形成在構(gòu)成光電二極管13的n+區(qū)11A和柵絕緣膜10之間、與包括電荷讀取晶體管4的柵電極19的底部的下側(cè)外圍部分對(duì)應(yīng)的部分中，但本發(fā)明并不局限于此并且可進(jìn)行下面的改變。即，如圖4所示，圖4為示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的固態(tài)圖像拾取裝置的主要部分的示意剖視圖，具有低雜質(zhì)濃度的p型半導(dǎo)體區(qū)(p-區(qū))13c可形成在構(gòu)成光電二極管3的n+區(qū)11A和柵絕緣膜10之間、僅在與電荷讀取晶體管4的柵電極19的底部對(duì)應(yīng)的部分中。
在上述的CMOS型固態(tài)圖像拾取裝置1中，光L從半導(dǎo)體襯底1的后面?zhèn)魅氲紺MOS型固態(tài)圖像拾取裝置1中并且該光L由光電二極管3接收。盡管未示出，半導(dǎo)體襯底2包括設(shè)置在其后部的濾色鏡并且還包括適當(dāng)?shù)难b置，如在對(duì)應(yīng)于每個(gè)像素20的位置上的片上顯微鏡(on-chip microlen)。
下面參考圖5A和5F進(jìn)行描述一種制造上述CMOS型固態(tài)圖像拾取裝置1的方法，具體的是，一種制造根據(jù)發(fā)明實(shí)施例的構(gòu)成光電二極管3和電荷讀取晶體管4的主要部分的方法。
首先，如圖5 A所示，構(gòu)成光電二極管3的n型半導(dǎo)體襯底(n+區(qū)11A和n區(qū)11B)，p型半導(dǎo)體區(qū)，即中心p-區(qū)13a以及在p-區(qū)13的兩側(cè)上的p+區(qū)12可選擇性地通過(guò)離子注入沉積在p型半導(dǎo)體襯底2的每個(gè)像素形成區(qū)域的預(yù)定深度位置上。
接著，如圖5B所示，柱狀凹槽部18形成在襯底深度方向，優(yōu)選的是形成在垂直方向上，以便通過(guò)選擇性蝕刻從半導(dǎo)體襯底2與p-區(qū)13b的中心部對(duì)應(yīng)的表面到達(dá)n+區(qū)11A的內(nèi)部。然后，柵絕緣膜(如，氧化硅膜)10通過(guò)CVD(化學(xué)氣相沉積)法或者熱氧化法沉積在柱狀凹槽部18的內(nèi)壁表面以及襯底2的表面上。
接著，如圖5C所示，通過(guò)從傾斜方向上注入具有低濃度的p型雜質(zhì)的離子，p-區(qū)13a形成在光電二極管3的n+區(qū)11A上的、與包括凹槽18的底部的下側(cè)外圍部分對(duì)應(yīng)的部分上。
接著，如圖5D所示，多晶硅膜31沉積在襯底2表面的整個(gè)表面上以便掩蓋凹槽部18，并且抗蝕劑掩模32形成在其中將要形成柵電極的區(qū)域域上。
接著，如圖5E所示，通過(guò)抗蝕劑掩模32對(duì)多晶硅膜31構(gòu)圖，形成掩埋到凹槽18中的柱狀柵電極19。
接著，如圖5F所示，像素隔離區(qū)25以及每個(gè)MOS晶體管的源漏區(qū)14，15和16通過(guò)離子注入形成。然后，形成由其他多晶硅膜形成的柵電極23和24。柵電極19，23，24等可同時(shí)形成。
同樣，可以在每個(gè)MOS晶體管形成之后，通過(guò)形成凹槽部18而形成柱狀柵電極19。
根據(jù)該制造方法，由于在電荷讀取晶體管4形成之前光電二極管3通過(guò)離子注入形成，因此即使當(dāng)擴(kuò)散出現(xiàn)在形成凹槽部18的過(guò)程中時(shí)，有效柵長(zhǎng)度d可容易和精確確定。即，有效柵長(zhǎng)度d根據(jù)構(gòu)成光電二極管3的n+區(qū)11A和電荷讀取晶體管4的n+源漏區(qū)14的底部之間的距離確定。
根據(jù)上述實(shí)施例的CMOS型固態(tài)圖像拾取裝置，由于光電二極管3以三維形式位于像素區(qū)20中，這樣其可位于形成在襯底表面上的多個(gè)MOS晶體管如電荷讀取晶體管4，復(fù)位晶體管5，放大晶體管6，垂直轉(zhuǎn)移寄存器(未示出)等之下，在光電二極管3的面積增加時(shí)，像素面積減小。即，由于光電二極管的面積增加并且入射光從襯底后部接收，因此可以微型化像素大小而不降低飽和電荷量(Qs)和靈敏度。
電荷可通過(guò)電荷讀取晶體管4從光電二極管3讀出，電荷讀取晶體管4的溝道部分21可形成在深度方向，優(yōu)選的是，形成在相對(duì)半導(dǎo)體襯底2表面的垂直方向上。同樣，當(dāng)電荷讀取晶體管4的柵電極19位于光電二極管3的中心部時(shí)，信號(hào)電荷可有效從光電二極管3的整個(gè)區(qū)通過(guò)溝道部21讀取到電荷讀取晶體管4中。因此，從光電二極管3電氣讀取電荷變得容易。
由于電荷讀取晶體管4的n+源漏區(qū)14還用作構(gòu)成光電二極管3的n+區(qū)11A，因此可確定電荷讀取晶體管4的有效溝道長(zhǎng)度d。
電荷讀取晶體管4的柵電極19和絕緣膜10的底部都形成在與光電二極管3的pn結(jié)j深度相等的位置上或者形成在比pn結(jié)j更深的位置上，由此溝道部21可可靠的在光電二極管3和n+源漏區(qū)14之間形成，并且電荷讀取晶體管4可以可靠操作。
同樣，由于光電二極管3的n+區(qū)11A還用作電荷讀取晶體管4的另一個(gè)n+源漏區(qū)，電荷讀取晶體管4的柱狀電極19的底部可延伸到比光電二極管3的pn結(jié)j位置更深的位置上并且電荷讀取晶體管4在光電二極管3形成之后形成，因此電荷讀取晶體管4的有效柵長(zhǎng)度d可由光電二極管3的n+區(qū)域11A的深度位置確定。
更特別的是，即使當(dāng)擴(kuò)散出現(xiàn)在形成凹槽部18的過(guò)程中時(shí)，可確定精確的有效柵長(zhǎng)度d。此外，由于p-區(qū)13a形成在電荷讀取晶體管4的柵絕緣膜10和光電二極管3的n+區(qū)11A之間，因此可以抑制由于光電二極管3的缺陷而產(chǎn)生漏電流。此外，由于p-區(qū)13b形成在電荷讀取晶體管4的柵絕緣膜10和光電二極管3的p+半導(dǎo)體區(qū)12之間，并維持光電二極管3的電荷累積量，因此可便利地在電荷讀取晶體管4中轉(zhuǎn)移電荷。
根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)圖像拾取裝置，由于形成在光電二極管的高濃度區(qū)之間的pn結(jié)設(shè)置在半導(dǎo)體襯底內(nèi)部，這樣pn結(jié)的一部分可延伸到在半導(dǎo)體襯底表面上形成的晶體管的下側(cè)部，因此即使當(dāng)像素面積減小時(shí)，可保持光電二極管的大面積。因此，可以微型化像素大小而不降低飽和電荷量(Qs)和靈敏度。
在像素中，通過(guò)從半導(dǎo)體襯底的表面在深度方向形成電荷讀取晶體管的溝道部分，晶體管和光電二極管可形成以三維形式在上下方向互相重疊。這樣，可實(shí)現(xiàn)像素大小的微型化，并可增加光電二極管的面積。
電荷讀取晶體管的柵電極和柵絕緣膜的底部形成在比光電二極管的pn結(jié)的深度更深的位置上，由此溝道部可可靠地形成在光電二極管和源漏區(qū)之間。因此，可以使電荷讀取晶體管的操作變得可靠。
電荷讀取晶體管的柵電極形成在光電二極管的中心部的位置上，這樣與光電二極管的外圍的距離和與柵電極的距離可互相相等。因此，可以將所有的信號(hào)電荷從光電二極管有效轉(zhuǎn)移到電荷讀取晶體管上而沒(méi)有剩余電荷。
由于電荷讀取晶體管的一個(gè)第二導(dǎo)電型源漏區(qū)還用作構(gòu)成光電二極管的第二導(dǎo)電型半導(dǎo)體區(qū)，因此可確定電荷讀取晶體管的有效溝道長(zhǎng)度。
由于根據(jù)通過(guò)離子注入形成的第二導(dǎo)電型半導(dǎo)體區(qū)和在電荷讀取晶體管的襯底表面上形成的另一第二導(dǎo)電型源漏區(qū)之間的長(zhǎng)度來(lái)確定電荷讀取晶體管的有效溝道長(zhǎng)度，因此可防止有效溝道長(zhǎng)度受到擾動(dòng)并且因此可以提供高可靠固態(tài)圖像拾取裝置。
由于第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體區(qū)設(shè)置在光電二極管的第二導(dǎo)電型半導(dǎo)體區(qū)和柵絕緣膜之間、在與電荷讀取晶體管的柵電極的外圍部分和柵電極的底部對(duì)應(yīng)的部分，因此可以抑制由于光電二極管的缺陷而出現(xiàn)的漏電流。
由于在光電二極管的第一導(dǎo)電型高濃度半導(dǎo)體區(qū)和柵絕緣膜之間形成濃度低于高濃度半導(dǎo)體區(qū)的第一導(dǎo)電型或者第二導(dǎo)電型半導(dǎo)體區(qū)，因此信號(hào)電荷可容易在電荷讀取晶體管中傳遞并且維持光電二極管的電荷累積量。
由于光從半導(dǎo)體區(qū)的后部傳入到光電二極管中，而光電二極管的面積增加，因此可以微型化像素大小而不降低飽和電荷量和靈敏度。
盡管參考附圖已經(jīng)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但應(yīng)該清楚本發(fā)明并不局限于這些實(shí)施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以進(jìn)行各種改變和變形而不脫離所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神或范圍。
權(quán)利要求
1.一種固態(tài)圖像拾取裝置，包括由光電二極管和晶體管組成的像素；以及其上形成有所述像素的半導(dǎo)體襯底，其中在所述光電二極管的高濃度區(qū)之間形成的pn結(jié)部分形成在所述半導(dǎo)體襯底內(nèi)，并且所述光電二極管的所述pn結(jié)部分的一部分延伸到在所述半導(dǎo)體襯底的表面上形成的所述晶體管的下部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的固態(tài)圖像拾取裝置，其中所述像素包括用于從所述光電二極管讀取信號(hào)電荷的電荷讀取晶體管，所述電荷讀取晶體管的一溝道部分形成在所述半導(dǎo)體襯底的表面的深度方向上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的固態(tài)圖像拾取裝置，其中所述電荷讀取晶體管包括柵電極和柵絕緣膜，其底部形成在比所述光電二極管的所述pn結(jié)部分深度更深的位置上。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的固態(tài)圖像拾取裝置，其中所述電荷讀取晶體管和所述光電二極管包括對(duì)應(yīng)兩者連接部分的柵電極，所述柵電極位于所述光電二極管的中心部。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的固態(tài)圖像拾取裝置，其中所述電荷讀取晶體管包括第二導(dǎo)電型源漏區(qū)，所述第二導(dǎo)電型源漏區(qū)的一個(gè)也用作構(gòu)成所述光電二極管的第二導(dǎo)電型半導(dǎo)體區(qū)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2的固態(tài)圖像拾取裝置，其中所述電荷讀取晶體管具有由通過(guò)離子注入形成的構(gòu)成所述光電二極管的所述第二導(dǎo)電型半導(dǎo)體區(qū)、以及形成在所述電荷讀取晶體管的所述半導(dǎo)體襯底表面上的另一第二導(dǎo)電型源漏區(qū)之間的距離所確定的有效溝道長(zhǎng)度。
7.根據(jù)權(quán)利要求2的固態(tài)圖像拾取裝置，其中所述電荷讀取晶體管包括形成在構(gòu)成所述光電二極管的所述第二導(dǎo)電型半導(dǎo)體區(qū)和柵絕緣膜之間、與所述電荷讀取晶體管的所述柵電極的外圍部分或者所述柵電極的底部對(duì)應(yīng)的部分中形成的第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體區(qū)。
8.根據(jù)權(quán)利要求2的固態(tài)圖像拾取裝置，其中構(gòu)成所述光電二極管的所述第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體區(qū)以及所述電荷讀取晶體管的所述柵絕緣膜之間形成第一導(dǎo)電型或者第二導(dǎo)電型半導(dǎo)體區(qū)，該第一導(dǎo)電型或者第二導(dǎo)電型半導(dǎo)體區(qū)的濃度低于所述高濃度半導(dǎo)體區(qū)的濃度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的固態(tài)圖像拾取裝置，其中所述半導(dǎo)體襯底將光從其后面?zhèn)鞯剿龉怆姸O管中。
全文摘要
本發(fā)明的固態(tài)圖像拾取裝置(1)包括半導(dǎo)體襯底(2)，其形成有由光電二極管(3)和由晶體管組成的像素(20)。包括該像素(20)的晶體管形成在半導(dǎo)體襯底的表面上，在光電二極管(3)的高濃度區(qū)之間形成的pn結(jié)部分設(shè)置在半導(dǎo)體襯底(2)內(nèi)并且光電二極管(3)的pn結(jié)部分的一部分延伸到在半導(dǎo)體襯底(2)表面上形成的晶體管的下部。根據(jù)本發(fā)明，提供一種固態(tài)圖象拾取裝置，其中像素大小可微型化而不降低飽和電荷量(Qs)和靈敏度。
文檔編號(hào)H04N5/369GK1652343SQ200510050919
公開(kāi)日2005年8月10日 申請(qǐng)日期2005年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月4日
發(fā)明者江崎孝之, 平山照峰 申請(qǐng)人:索尼株式會(huì)社