專利名稱：固態(tài)成像裝置及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種固態(tài)成像裝置。本發(fā)明特別涉及一種具有改進的柵極部分的固態(tài)成像裝置及其制造方法。
背景技術(shù)：
人們已經(jīng)設(shè)計出了各種常規(guī)固態(tài)成像裝置(例如，日本專利H9-283733A)。參照圖6解釋一種常規(guī)固態(tài)成像裝置。在第一p型阱區(qū)2內(nèi)部的n型硅襯底1上形成n型雜質(zhì)擴散區(qū)3、垂直寄存器4和p型溝道阻擋區(qū)5。p型正電荷積累區(qū)6形成在n型雜質(zhì)擴散區(qū)3上。第二p型阱區(qū)7直接形成在垂直寄存器4的下面。
這里，光接收部分(光電轉(zhuǎn)換部分)8由光電二極管構(gòu)成，光電二極管由n型雜質(zhì)擴散區(qū)3和第一p型阱區(qū)2的PN結(jié)構(gòu)成。光接收部分8對應像素而形成。
其次，在整個表面上形成柵極絕緣膜9，包括溝道阻擋區(qū)5、垂直寄存器4和第一p型阱區(qū)2的正電荷積累區(qū)6。此外，在第一p型阱區(qū)2上方的柵極絕緣膜9上形成由摻雜非晶硅構(gòu)成的第一轉(zhuǎn)移柵電極10和第二轉(zhuǎn)移柵電極11以及氧化硅膜12。然后在第一轉(zhuǎn)移柵電極10、第二轉(zhuǎn)移柵電極11和氧化硅膜12上選擇形成金屬光阻擋膜13。
上述結(jié)構(gòu)的第一轉(zhuǎn)移柵電極10和第二轉(zhuǎn)移柵電極11通過圖7A至圖7D中所示的下列工藝制造。通過利用氧化爐和LPCVD反應器在n型硅襯底1的整個表面上形成柵極絕緣膜9之后，利用下列化學反應(1)中所示的熱分解，在LPCVD反應器內(nèi)部以均勻濃度(大約7.0×1020cm-3)、在一層中的柵極絕緣膜9的整個表面上形成厚度約為0.5μm的第一n型摻雜非晶硅膜14(圖7A)。
(1)接著，通過光刻和刻蝕形成第一轉(zhuǎn)移柵電極10，留下第一摻雜非晶硅膜14的柵區(qū)和柵極布線區(qū)。
然后用氧化爐氧化第一轉(zhuǎn)移柵電極10，以便形成氧化硅膜12(圖7B)。通過利用下列化學反應中所示的熱分解在LPCVD反應器內(nèi)部以均勻濃度(大約7.0×1020cm-3)、在一層中的整個表面上形成厚度約為0.5μm的第二n型摻雜非晶硅膜15(圖7C)。
(2)接著，通過光刻和刻蝕形成第二轉(zhuǎn)移柵電極11，留下第二摻雜非晶硅膜15的柵區(qū)和柵極布線區(qū)。然后用氧化爐氧化第二轉(zhuǎn)移柵電極11，以便形成氧化硅膜12(圖7D)。
然而，用于制造常規(guī)固態(tài)成像裝置的方法具有下列問題。
第一個問題是當通過利用LPCVD反應器內(nèi)部的熱分解，以均勻濃度(大約7.0×1020cm-3)用大約0.5μm厚的n型雜質(zhì)摻雜非晶硅層，在一層中的整個表面上形成第一摻雜非晶硅膜14或第二摻雜非晶硅膜15時，在n型雜質(zhì)摻雜非晶硅層中形成局部微晶區(qū)16(參見圖8A)。
當在下一步驟中刻蝕形成在整個表面上的n型雜質(zhì)摻雜非晶硅層時，微晶區(qū)16的刻蝕速度比其它區(qū)域的刻蝕速度更快。
因此，盡管從統(tǒng)計學上講這個概率是較低的，但是當形成在整個表面上的n型雜質(zhì)摻雜非晶硅層被刻蝕時，微晶區(qū)16可能形成在微晶區(qū)16與形成在下面的柵極絕緣膜9接觸的位置上。在這種情況下，由于這些微晶區(qū)16的刻蝕速度比其它區(qū)域快，因此形成在下面的柵極絕緣膜9被局部過刻蝕，并且在形成下面的柵極絕緣膜9上將測試局部薄的區(qū)域17(參見圖8B)。
如果柵極絕緣膜9的局部薄的區(qū)域17形成在用于電荷轉(zhuǎn)移的轉(zhuǎn)移寄存器區(qū)中，則在轉(zhuǎn)移溝道中形成局部勢壘18，電荷被捕獲并且電荷轉(zhuǎn)移可能是不完全的(參見圖8C)。
第二個問題是，在例如7.0×1020cm-3的n型雜質(zhì)摻雜非晶硅層的平均n型雜質(zhì)濃度下測試的成像缺陷的現(xiàn)象(圖9A)。通過利用在LPCVD反應器中的熱分解，以均勻濃度用大約0.5μm厚度的n型雜質(zhì)摻雜非晶硅層、在一層中的整個表面上形成第一摻雜非晶硅膜14或第二摻雜非晶硅膜15時發(fā)生該現(xiàn)象(圖9A)。圖9A中的標記16表示微晶區(qū)。
該現(xiàn)象可以用下列模式來解釋。如果在下一步驟中對n型雜質(zhì)摻雜非晶硅層進行熱分解，則n型雜質(zhì)摻雜非晶硅層中的硅晶粒19生長，并且在生長的硅晶粒19的硅邊界20附近產(chǎn)生高濃度的n型雜質(zhì)21(圖9B)。
結(jié)果是，n型雜質(zhì)摻雜非晶硅層的電阻的局部增加，并且通過阻止摻雜非晶硅層中的電子流或通過保留在摻雜非晶硅層中的電子，可能產(chǎn)生類似于斷開導體的圖像缺陷。
關(guān)于第三個問題，常規(guī)固態(tài)成像裝置的第二轉(zhuǎn)移柵電極11具有從光接收部分向垂直寄存器讀取電荷的功能、以及在垂直寄存器內(nèi)進行電荷轉(zhuǎn)移的其它功能，如圖6所示。因此，大約25V的最大脈沖電壓施加于使第一轉(zhuǎn)移柵電極10和第二轉(zhuǎn)移柵電極11絕緣的絕緣膜。
并且，盡管絕緣膜(氧化硅膜12)通過第一轉(zhuǎn)移柵電極10的熱氧化形成，如圖7中所解釋的，但是通過對n型雜質(zhì)摻雜非晶硅進行熱氧化獲得的膜的耐電壓一般較弱，并且獲得大約1到2MV/cm的場強。因此，為了獲得25V的耐電壓，n型雜質(zhì)摻雜非晶硅上方的氧化膜的厚度需要至少在0.3μm的數(shù)量級。
尤其對于具有較大表面面積的常規(guī)固態(tài)成像裝置來說需要改進，其中氧化膜的耐電壓缺陷大大降低了產(chǎn)量。在圖6中，如果氧化膜的厚度較厚，則堆疊第一轉(zhuǎn)移柵電極10和第二轉(zhuǎn)移柵電極11的部分與未形成這些電極的光接收部分之間的水平差為1μm。
因此，設(shè)置在電極頂部的用于阻擋光的金屬光阻擋膜13可以不充分地覆蓋水平差，覆蓋在水平差部分中可以是較薄的。如果存在這樣的薄部分，則可能出現(xiàn)錯誤信號，并且信噪比可能下降，因為光可能泄漏到垂直寄存器中和將由垂直寄存器4中的光電轉(zhuǎn)換形成的電荷添加到信號電荷中。
此外，如果用于阻擋光的金屬光阻擋膜13用作導體，則可能發(fā)生不施加電壓的問題，因為該導體在水平差部分被切割。從上述說明來看，需要形成薄的并且具有耐受性能的絕緣膜。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決這些常規(guī)問題，本發(fā)明提供一種固態(tài)成像裝置及其制造方法，有助于在轉(zhuǎn)移溝道中不產(chǎn)生局部勢壘，提高產(chǎn)量，改善夾在電極之間的絕緣膜的耐電壓，以及防止由于光阻擋膜的局部變薄而產(chǎn)生的光泄漏和金屬導體的階梯中斷。
根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)成像裝置包括半導體襯底；形成在半導體襯底上的光電轉(zhuǎn)換部分；形成在半導體襯底上并覆蓋光電轉(zhuǎn)換部分的柵極絕緣膜；用于在垂直方向轉(zhuǎn)移在光電轉(zhuǎn)換部分中產(chǎn)生的電荷的垂直轉(zhuǎn)移部分；和用于轉(zhuǎn)移垂直轉(zhuǎn)移部分的電荷的多層轉(zhuǎn)移柵電極。多層轉(zhuǎn)移柵電極的至少一層由具有不同雜質(zhì)濃度的至少兩層雜質(zhì)摻雜非晶硅膜構(gòu)成。
其次，根據(jù)本發(fā)明，在用于制造固態(tài)成像裝置的方法中，該固態(tài)成像裝置包括半導體襯底；形成在半導體襯底上的光電轉(zhuǎn)換部分；形成在半導體襯底上并覆蓋光電轉(zhuǎn)換部分的柵極絕緣膜；用于在垂直方向轉(zhuǎn)移在光電轉(zhuǎn)換部分產(chǎn)生的電荷的垂直轉(zhuǎn)移部分；和用于轉(zhuǎn)移垂直轉(zhuǎn)移部分的電荷的多層轉(zhuǎn)移柵電極；多層轉(zhuǎn)移柵電極的至少一層由具有不同雜質(zhì)濃度的至少兩層雜質(zhì)摻雜非晶硅膜構(gòu)成。雜質(zhì)摻雜非晶硅膜由以下步驟形成形成具有第一雜質(zhì)濃度的第一摻雜非晶硅膜；將第一摻雜非晶硅膜刻蝕成轉(zhuǎn)移柵電極的形狀；形成具有第二雜質(zhì)濃度的第二摻雜非晶硅膜；和將第二摻雜非晶硅膜刻蝕成轉(zhuǎn)移柵電極的形狀。


圖1是表示本發(fā)明實施例的制造工藝的剖面圖。
圖2A和2B是本發(fā)明實施例1中的工藝的剖面圖。
圖3A和3B是本發(fā)明實施例1中的工藝的剖面圖。
圖4A至4G是本發(fā)明實施例1中的工藝的剖面圖。
圖5A和5B是表示摻雜非晶硅氧化膜的突出角部的剖面圖。
圖6是表示常規(guī)制造工藝的剖面圖。
圖7A至7D是表示形成常規(guī)第一和第二轉(zhuǎn)移柵電極的剖面圖。
圖8A和8B是表示常規(guī)工藝中的第一個問題的剖面圖，圖8C是勢壘圖。
圖9A和9B是說明常規(guī)工藝中的第二個問題的剖面圖。
具體實施例方式
利用本發(fā)明的固態(tài)成像裝置，形成在整個表面上的n型雜質(zhì)摻雜非晶硅層中的微晶區(qū)不直接與形成在下面的柵極絕緣膜接觸，并且在柵極絕緣膜下面沒有形成局部薄的區(qū)域，因此可以防止在轉(zhuǎn)移溝道中產(chǎn)生勢壘。此外，可以防止n型雜質(zhì)摻雜非晶硅層的電阻的局部增加、和防止由于阻止n型雜質(zhì)摻雜非晶硅層中的電子流或者由于保留在n型雜質(zhì)摻雜非晶硅層中的電子而產(chǎn)生的類似于斷開導體的圖像缺陷。因此可以提高產(chǎn)量。還可以通過提高夾在由多層n型雜質(zhì)摻雜非晶硅制成的電極之間的絕緣膜的耐電壓來減小n型雜質(zhì)摻雜非晶硅氧化膜的厚度。此外，可以防止由于光阻擋膜的局部變薄引起光泄漏和金屬導體的階梯中斷，因為可以減少在摻雜非晶硅電極端部的水平差。
根據(jù)本發(fā)明，形成一個多層轉(zhuǎn)移柵電極，并且多層轉(zhuǎn)移柵電極的至少一層由不同雜質(zhì)濃度的至少兩層雜質(zhì)摻雜非晶硅膜構(gòu)成。圖1示出一個具體示例，其中，通過一個絕緣膜(如氧化硅膜12)形成若干個多層柵電極(第一轉(zhuǎn)移柵電極10和第二轉(zhuǎn)移柵電極11)，通過層疊不同雜質(zhì)濃度的兩個雜質(zhì)摻雜非晶硅層，形成第一轉(zhuǎn)移柵電極10。優(yōu)選的是，內(nèi)部層的雜質(zhì)濃度為至少7.0×1020cm-3或0×1020cm-3(摻雜劑的量為零)，并且外部層的雜質(zhì)濃度至少為1.0×1020cm-3和至多3.0×1020cm-3。
在本發(fā)明的固態(tài)成像裝置中，優(yōu)選的是，n型雜質(zhì)摻雜非晶硅膜的平均雜質(zhì)濃度至少為1.0×1020cm-3和至多為3.0×1020cm-3。如果平均雜質(zhì)濃度在這個范圍內(nèi)，則該電阻是合適的，并且可以形成均勻?qū)?。如果n型平均雜質(zhì)濃度少于1.0×1020cm-3，則n型雜質(zhì)摻雜非晶硅膜的電阻變得太高。而且，如果n型平均雜質(zhì)濃度大于3.0×1020cm-3，則n型雜質(zhì)摻雜非晶硅層中的硅晶粒生長并且在生長的硅晶粒的硅邊界附近出現(xiàn)高濃度n型雜質(zhì)，因此n型雜質(zhì)摻雜非晶硅層的電阻局部增加，因而由于抑制了摻雜非晶硅層中的電子流或者由于保留在摻雜非晶硅層中的電子，也可能產(chǎn)生類似于斷開導體的圖像缺陷。
該多層轉(zhuǎn)移柵電極的至少一層由不同雜質(zhì)濃度的至少兩個雜質(zhì)摻雜非晶硅膜構(gòu)成。優(yōu)選的是，最接近柵極絕緣膜9的一層與除該層以外的層之間的雜質(zhì)濃度之差值至少是1.0×1020cm-3，至多是6.0×1020cm-3。
優(yōu)選的是，柵極絕緣膜由氧化硅膜-氮化硅膜-氧化硅膜的一個3層結(jié)構(gòu)形成。就是說，優(yōu)選地，如果固態(tài)成像裝置具有多層轉(zhuǎn)移柵電極，則位于轉(zhuǎn)移柵電極的每層正下方的n型阱電位是相同的。為此，必須使每層的柵極絕緣膜的厚度相同，同時即使在熱氧化轉(zhuǎn)移柵電極時也要抑制形成在下面的硅襯底的氧化。柵極絕緣膜可以是包括氮化硅膜的多層結(jié)構(gòu)，例如氧化硅膜/氮化硅膜/氧化硅膜的3層結(jié)構(gòu)。通過形成氮化硅膜，可以抑制氧化進行到形成在下面的硅襯底。應該注意的是，如果氮化硅膜形成在氧化硅膜的頂部，則由于在氧化硅膜和氮化硅膜中的電子遷移之間的差異，使得電子積累在氧化硅膜/氮化硅膜界面處，但是通過在氮化硅膜的頂部形成另一氧化硅膜，可以阻止電子的積累和提高可靠性，由此實現(xiàn)了氧化硅膜/氮化硅膜/氧化硅膜的3層結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明的方法中，優(yōu)選的是，多層轉(zhuǎn)移柵電極的至少一層進一步通過以下步驟來形成使?jié)舛雀哂诘谝缓偷诙诫s非晶硅膜的n型雜質(zhì)擴散到多層轉(zhuǎn)移柵電極的至少一層中的轉(zhuǎn)移柵電極的表面中；和通過熱氧化轉(zhuǎn)移柵電極形成氧化硅膜。如果沒有將濃度高于第一和第二摻雜非晶硅膜的n型雜質(zhì)擴散到轉(zhuǎn)移柵電極的表面中的步驟，則在熱氧化之后，在摻雜非晶硅/氧化膜的界面部分、在摻雜非晶硅的表面上的凹陷和突起變得更大。此外，在摻雜非晶硅的突起角部中，突起角部附近的氧化膜的厚度變薄，這是因為由于在摻雜非晶硅氧化膜中積累的應力集中在一個區(qū)域中而抑制了氧化。然而，如果進行使?jié)舛雀哂诘谝缓偷诙诫s非晶硅膜的n型雜質(zhì)擴散到轉(zhuǎn)移柵電極的表面中的步驟和通過熱氧化轉(zhuǎn)移柵電極來形成氧化硅膜的步驟，則通過加速熱氧化、液化氧化硅膜和減輕由氧化產(chǎn)生的氧化膜/摻雜非晶硅界面的機械變形，可以使氧化膜/摻雜非晶硅的界面平滑。此外，在摻雜非晶硅的突起角部(圖5A和5B中的標記“Y”的部分)，提高了氧化膜的耐電壓，因為通過氧化硅的粘滯流動性改善了在摻雜非晶硅氧化膜中積累的集聚應力，突起角部附近的氧化膜不變薄，并且突起角部的曲率半徑變大。
優(yōu)選的是，多層轉(zhuǎn)移柵電極的至少一層進一步通過下列步驟形成使用在低壓下通過氫和氧形成的水()熱氧化轉(zhuǎn)移柵電極。如果不包括使用在低壓下由氫和氧形成的水()熱氧化轉(zhuǎn)移柵電極這樣的步驟，則在熱氧化之后，在摻雜非晶硅/氧化膜的界面部分、在摻雜非晶硅的表面上的突起和凹陷變得更大。此外，在摻雜非晶硅的突起角部中，由于摻雜非晶硅氧化膜中積累的應力集中在一個區(qū)域中而抑制了氧化，因此突起角部附近的氧化膜的厚度變薄。然而，如果進一步包括使用在低壓下由氫和氧形成的水()熱氧化轉(zhuǎn)移柵電極的步驟，則可以通過加速熱氧化、液化氧化硅膜和減輕由氧化產(chǎn)生的氧化膜/摻雜非晶硅的機械變形，使氧化膜/摻雜非晶硅的界面平滑。此外，在摻雜非晶硅的突起角部(圖5A和5B中的標記“Y”的部分)，提高了氧化膜的耐電壓，因為通過氧化硅的粘滯流動性改善了在摻雜非晶硅氧化膜中積累的集聚應力，并且突起角部附近的氧化膜不會變薄，突起角部的曲率半徑變大。
第一實施例下面參照圖2-4介紹根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)成像裝置的制造方法的第一實施例。
首先，在形成多層轉(zhuǎn)移柵電極時生長n型雜質(zhì)摻雜非晶硅層的步驟中，形成由n型雜質(zhì)摻雜非晶硅構(gòu)成的緩沖層22，如圖2A和2B所示。緩沖層22的厚度例如為0.02μm，并且緩沖層22的濃度使得沒有局部地形成微晶區(qū)(例如，未摻雜非晶硅層或具有7.0×1020cm-3的n型雜質(zhì)濃度的摻雜非晶硅層)。緩沖層22是在LPCVD反應器內(nèi)利用熱分解形成的
其次，然后在相同的LPCVD反應器工藝中形成所希望的n型雜質(zhì)濃度(例如，1.0×1020cm-3到3.0×1020cm-3)的n型雜質(zhì)摻雜非晶硅層(第一摻雜非晶硅層)14。因此，形成由具有不同n型雜質(zhì)濃度的兩個或更多個非晶硅膜制成的n型雜質(zhì)摻雜非晶硅膜23。
通過形成厚度大約為0.02μm的緩沖層22，并該緩沖層22具有的濃度使得不會形成局部微晶區(qū)(例如，未摻雜非晶硅層或具有7.0×1020cm-3的n型雜質(zhì)濃度的摻雜非晶硅層)，如上所述，即使在刻蝕在下一步驟中在整個表面上形成的n型雜質(zhì)摻雜非晶硅層時存在微晶區(qū)(圖2B)，通過防止或抑制形成在下面的柵極絕緣膜的局部過刻蝕，也可以防止或抑制在形成在下面的柵極絕緣膜上形成局部薄的區(qū)域。圖2B中的X部分是其中沒有形成局部薄區(qū)的部分。優(yōu)選地，在每層n型雜質(zhì)摻雜非晶硅層中，沒有形成局部微晶區(qū)的部位的厚度為0.02μm的第一n型雜質(zhì)摻雜非晶硅層的n型雜質(zhì)濃度為0cm-3或7.0×1020cm-3或更高。如果n型雜質(zhì)濃度為0cm-3，則由于不存在n型雜質(zhì)而沒有形成微晶區(qū)。而且，如果n型雜質(zhì)濃度為7.0×1020cm-3或更高，則由于n型雜質(zhì)濃度很高而不會有助于形成局部簇或微晶區(qū)。此外，優(yōu)選的是，具有0.48μm保留厚度的第二n型雜質(zhì)摻雜非非晶硅層的n型雜質(zhì)濃度至少為1.0×1020cm-3和至多3.0×1020cm-3。如果n型雜質(zhì)濃度低于1.0×1020cm-3，則n型雜質(zhì)摻雜非晶硅膜的電阻變得太高。而且，如果n型雜質(zhì)濃度超過3.0×1020cm-3，則摻雜非晶硅層中的硅晶粒生長，并且高濃度的n型雜質(zhì)存在于生長的硅晶粒的硅邊界附近，使得n型雜質(zhì)摻雜非晶硅層的電阻局部增大，并通過抑制摻雜非晶硅層中的電子流或由于保留在摻雜非晶硅層中的電子，又使得類似于斷開導體的圖像缺陷可能發(fā)生。
可選的是，在形成多層轉(zhuǎn)移柵電極時生長n型雜質(zhì)摻雜非晶硅層的步驟中，首先如圖3A和3B所示形成由n型雜質(zhì)摻雜非晶硅構(gòu)成的緩沖層22。緩沖層22的厚度例如為0.02μm，并且緩沖層22的濃度使得不會局部形成微晶區(qū)(例如，未摻雜非晶硅層或具有的n型雜質(zhì)濃度為7.0×1020cm-3的摻雜非晶硅層)。緩沖層22是在LPCVD反應器中利用下列熱分解形成的
其次，然后在相同的LPCVD反應器工藝中，形成所希望的n型雜質(zhì)濃度(例如，1.0×1020cm-3到3.0×1020cm-3)的n型雜質(zhì)摻雜非晶硅層(第一摻雜非晶硅層)14。因此，形成由具有不同n型雜質(zhì)濃度的兩個或更多個非晶硅膜制成的n型雜質(zhì)摻雜非晶硅膜23。n型雜質(zhì)摻雜非晶硅層23的平均n型雜質(zhì)濃度為1.0×1020cm-3到3.0×1020cm-3。當在下一步驟中對n型雜質(zhì)摻雜非晶硅層進行熱擴散時，這個平均n型雜質(zhì)濃度使得可以阻止或抑制硅晶粒在n型雜質(zhì)摻雜非晶硅層中的生長，這種硅晶粒的生長可以導致比在生長的硅晶粒的硅邊界附近形成的圍繞物中的濃度高的n型雜質(zhì)21的濃度和高濃度n型雜質(zhì)。
結(jié)果是，盡管常規(guī)的n型雜質(zhì)摻雜非晶硅膜的n型雜質(zhì)濃度為7.0×1020cm-3，通過將平均雜質(zhì)濃度設(shè)置為1.0×1020cm-3到3.0×1020cm-3，也可以相對降低n型雜質(zhì)21的高濃度。因此，可以阻止或抑制n型雜質(zhì)摻雜非晶硅層的電阻的局部增加，進而防止或抑制類似于斷開導體的圖像缺陷，這是因為沒有阻止n型雜質(zhì)摻雜非晶硅層中的電子流和電子沒有保留在n型雜質(zhì)摻雜非晶硅層中。
而且，通過在硅襯底1的整個表面上形成柵極絕緣膜9之后的工藝，可以制造第一轉(zhuǎn)移柵電極，如圖4A-4G所示。利用未摻雜非晶硅層或n型雜質(zhì)濃度為7.0×1020cm-3的摻雜非晶硅層，形成由n型雜質(zhì)摻雜非晶硅制成的緩沖層22，其厚度大約為0.02μm。
然后形成厚度為約0.5μm的2.0×1020cm-3的n型雜質(zhì)摻雜非晶硅層14，并且形成具有至少兩層n型雜質(zhì)濃度的n型雜質(zhì)摻雜非晶硅膜23(圖4A)。然后，使用光刻法和n型雜質(zhì)摻雜非晶硅刻蝕，形成第一層n型雜質(zhì)摻雜非晶硅轉(zhuǎn)移柵電極，留下柵極區(qū)和柵極布線區(qū)的n型雜質(zhì)摻雜非晶硅層(圖4B)。
接著，如圖4C所示，執(zhí)行一個擴散步驟，在形成第一層n型雜質(zhì)摻雜非晶硅轉(zhuǎn)移柵電極之后，以比第一層n型雜質(zhì)摻雜非晶硅膜高的濃度將n型雜質(zhì)29(例如，通過在900℃下利用POCl3在擴散爐中以大約10-20分鐘摻雜磷(P))擴散到表面中。接著，通過對第一層n型雜質(zhì)摻雜非晶硅轉(zhuǎn)移柵電極進行熱氧化(例如，在850-900℃下，在具有H2O氣氛的爐子中)，形成氧化硅膜12(圖4D)。可選的是，通過使用在低壓下(例如，在1.33×102Pa(1乇)，900℃，H2濃度33％)由反應形成的水，對第一層n型雜質(zhì)摻雜非晶硅轉(zhuǎn)移柵電極進行熱氧化，也可以形成氧化硅膜12。
接下來，通過下列工藝制造第二轉(zhuǎn)移柵電極，如圖4E-4F所示。利用未摻雜非晶硅層或具有7.0×1020cm-3的n型雜質(zhì)濃度的摻雜非晶硅層，形成由n型雜質(zhì)摻雜非晶硅制成的緩沖層24，其厚度大約為0.02μm。
接下來，形成濃度為2.0×1020cm-3、厚度為約0.5μm的n型雜質(zhì)摻雜非晶硅層15，并形成具有兩層n型雜質(zhì)濃度的n型雜質(zhì)摻雜非晶硅膜23(圖4E)。
然后使用光刻法和n型雜質(zhì)摻雜非晶硅刻蝕，形成第二n型雜質(zhì)摻雜非晶硅轉(zhuǎn)移柵電極，留下柵極區(qū)和柵極布線區(qū)的n型雜質(zhì)摻雜非晶硅層(圖4F)。
其次，如圖4G所示，執(zhí)行一個擴散步驟，在形成第二層n型雜質(zhì)摻雜非晶硅轉(zhuǎn)移柵電極之后，以比第二層n型雜質(zhì)摻雜非晶硅膜高的濃度使n型雜質(zhì)(例如，通過在900℃下利用POCl3在擴散爐中以大約10-20分鐘摻雜磷(P))擴散到表面中。接著，通過對第二n型雜質(zhì)摻雜非晶硅轉(zhuǎn)移柵電極進行熱氧化(例如，在850-900℃下，在具有H2O氣氛的爐子中)，形成氧化硅膜12?；蛘撸ㄟ^在低壓下(例如，在1.33×102Pa(1乇)，900℃，H2濃度33％)使用由反應形成的水，對第二層n型雜質(zhì)摻雜非晶硅轉(zhuǎn)移柵電極進行熱氧化，也可以形成氧化硅膜12。
一般情況下，形成在摻雜非晶硅上的氧化膜的較差耐電壓的原因(對于多晶硅也是這樣)是，熱氧化之后在摻雜非晶硅/氧化膜的界面部分處的摻雜非晶硅表面上的凹陷和突起較大。此外，另一個原因是，在摻雜非晶硅的突起角部，抑制了氧化，并且突起角部周圍區(qū)域中的氧化膜的厚度變薄，這是因為在摻雜非晶硅氧化膜中的累積應力的集中。
為了改善這個問題，作為常規(guī)手段，人們已經(jīng)提出在高于1000℃的溫度下進行氧化的方法，如在(A)“J.Applied Phys.第48卷”第4834頁中所述。根據(jù)這種方法，在摻雜非晶硅和氧化膜的界面處產(chǎn)生的機械變形被緩和，并且可以通過在高溫下氧化來減少界面處的突起和凹陷。
而且，如在(B)“J.Electrochem.Soc.”第132卷第2185頁中提出了一種方法，其中，在摻雜非晶硅中選擇磷的最佳濃度、或加大摻雜非晶硅膜的晶粒直徑和通過在氧化之前進行退火而使膜的表面變平滑。
此外，在(C)“J.Electrochem.Soc.”第130卷第1597頁中提出了一種方法，其中，在摻雜非晶硅和氧化膜之間的界面處減少突起和凹陷、通過氧化之后進行高溫退火來改善耐電壓。
然而，這些常規(guī)方法(A)至(C)不能實施，因為這些常規(guī)方法都需要在高于1000℃的溫度下進行熱處理，使得當將這些常規(guī)方法應用于固態(tài)成像裝置時、對P-N結(jié)的擴散深度有限制。
所述的這個問題的解決方式如下。
(1)進行如下步驟在形成第一n型雜質(zhì)摻雜非晶硅轉(zhuǎn)移柵電極之后，以比第一層n型雜質(zhì)摻雜非晶硅層高的濃度將n型雜質(zhì)(例如，在900℃下在擴散爐中在大約20分鐘內(nèi)摻雜磷(P))擴散到表面中。接下來，通過對第一層n型雜質(zhì)摻雜非晶硅轉(zhuǎn)移柵電極進行熱氧化，形成氧化硅膜。
(2)通過在低壓下(例如，在1.33×102Pa(1乇)，900℃，H2濃度33％)使用由反應形成的水，對第一n型雜質(zhì)摻雜非晶硅轉(zhuǎn)移柵電極進行熱氧化，形成該氧化硅膜。
通過上述兩種方法，通過使氧化硅膜液化和減輕由氧化產(chǎn)生的氧化膜/摻雜非晶硅界面的機械變形，可以使氧化膜/摻雜非晶硅的界面變平滑。
此外，如圖5A和5B所示，在摻雜非晶硅的突起角部Y，由于通過氧化硅膜的粘滯流動性改善了摻雜非晶硅氧化膜中積累的集中應力，因此提高了氧化膜的耐電壓，并且突起角部附近的氧化膜不會變薄，突起角部的曲率半徑6變大。
因此，可以防止由于屏蔽膜的局部變薄和在階梯部分的金屬導體的中斷產(chǎn)生的光泄漏，這是因為氧化膜的厚度可以變薄，并且可以減小在摻雜非晶硅電極端部的水平差異。另一優(yōu)點是器件的性能和產(chǎn)量都有很大提高。
第二實施例下面參照圖1介紹根據(jù)本發(fā)明第二實施例的固態(tài)成像裝置。
在第一p型阱區(qū)2內(nèi)部的n型硅襯底1上形成n型雜質(zhì)擴散區(qū)3、垂直寄存器4和p型溝道阻擋區(qū)5。在n型雜質(zhì)擴散區(qū)3上形成p型正電荷壓積累區(qū)6。第二p型阱區(qū)7形成在垂直寄存器4的下面。這里，光接收部分(光電轉(zhuǎn)換部分)8由光電二極管構(gòu)成，該光電二極管由n型雜質(zhì)擴散區(qū)3和第一p型阱區(qū)2的PN結(jié)構(gòu)成。光接收部分8對應于像素而形成。柵極絕緣膜27形成在整個表面上，包括第一p型阱區(qū)2的溝道阻擋區(qū)5、垂直寄存器4和正電荷積累區(qū)6。此外，用摻雜非晶硅膜構(gòu)成的第一轉(zhuǎn)移柵電極10和第二轉(zhuǎn)移柵電極11以及氧化硅膜12都形成在第一p型阱區(qū)2上方的柵極絕緣膜27上。然后在第一轉(zhuǎn)移柵電極10、第二轉(zhuǎn)移柵電極11和氧化硅膜12上選擇地形成圖1中所示的金屬光阻擋膜13。
這里，兩個轉(zhuǎn)移柵電極中的至少一個設(shè)有不同雜質(zhì)濃度的兩個雜質(zhì)摻雜非晶硅層。底層由緩沖層22形成，該緩沖層22由未摻雜非晶硅層或n型雜質(zhì)濃度為7.0×1020cm-3的摻雜非晶硅層構(gòu)成，其厚度大約為0.02μm。頂層由厚度大約為0.5μm的2.0×1020cm-3的n型雜質(zhì)摻雜非晶硅層10形成。而且，多層柵電極被形成而使得其平均n型雜質(zhì)濃度為1.0×1020cm-3到3.0×1020cm-3。28是透明樹脂層。
應該注意的是，利用SiO2膜9、Si3N4膜25和SiO2膜26的一個三層柵極絕緣膜27，也可以構(gòu)成由SiO2膜制成的柵極絕緣膜9。
因此，由于在整個表面(圖2)上形成的n型雜質(zhì)摻雜非晶硅層中的微晶區(qū)16不直接接觸形成在下面的柵極絕緣膜8，以及在為轉(zhuǎn)移柵電極10進行刻蝕時沒有形成在下面形成的柵極絕緣膜9上的局部薄區(qū)17(圖8)，因此在轉(zhuǎn)移溝道中不產(chǎn)生勢壘。
而且，通過防止n型雜質(zhì)摻雜非晶硅層的電阻的局部增加和由于抑制在摻雜非晶硅層中的電子流或由于保留在摻雜非晶硅層中的電子而產(chǎn)生類似于斷開導體的圖像缺陷，可以提高產(chǎn)量。
而且，通過提高夾在由多層n型雜質(zhì)摻雜非晶硅構(gòu)成的電極之間的絕緣膜的耐電壓，可以減少n型雜質(zhì)摻雜非晶硅氧化膜的厚度。此外，由于可以減少在摻雜非晶硅電極端部的水平差異，因此可以防止由于光阻擋膜的局部變薄和金屬導體的階梯中斷導致的光泄漏。
而且，由于通過氧化硅膜的粘滯流動性來改善在多層柵電極和摻雜非晶硅氧化膜中積累的集中應力，因此可以提高氧化膜的耐電壓，并且突起角附近的氧化膜不會變薄，突起角部的曲率半徑6變大。
工業(yè)實用性本發(fā)明可以適用于電荷轉(zhuǎn)移型的固態(tài)成像裝置的柵電極部分。
本發(fā)明可以以其它形式實施而不會脫離其精神或基本特性。本申請中公開的實施例只是示意性的而非限制性的。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求書表示而不是由前面的描述來表示，在權(quán)利要求書等效含義和范圍內(nèi)產(chǎn)生的所有修改都應該被包含在其中。
權(quán)利要求
1.一種固態(tài)成像裝置，包括半導體襯底；光電轉(zhuǎn)換部分，形成在該半導體襯底上；柵極絕緣膜，形成在該半導體襯底上并覆蓋該光電轉(zhuǎn)換部分；垂直轉(zhuǎn)移部分，用于在垂直方向轉(zhuǎn)移在該光電轉(zhuǎn)換部分中產(chǎn)生的電荷；和多層轉(zhuǎn)移柵電極，用于轉(zhuǎn)移該垂直轉(zhuǎn)移部分的電荷；其中，該多層轉(zhuǎn)移柵電極的至少一層由不同雜質(zhì)濃度的至少兩層雜質(zhì)摻雜非晶硅膜構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的固態(tài)成像裝置，其中，雜質(zhì)摻雜非晶硅膜的平均雜質(zhì)濃度至少為1.0×1020cm-3，至多為3.0×1020cm-3。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的固態(tài)成像裝置，其中，該柵極絕緣膜形成在從內(nèi)側(cè)依次為氧化硅膜、氮化硅膜和氧化硅膜的一個三層結(jié)構(gòu)中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的固態(tài)成像裝置，其中，該多層轉(zhuǎn)移柵電極的至少一層是通過以下步驟形成的形成具有第一雜質(zhì)濃度的第一摻雜非晶硅膜，將第一摻雜非晶硅膜刻蝕成轉(zhuǎn)移柵電極的形狀，形成具有第二雜質(zhì)濃度的第二摻雜非晶硅膜，和將第二摻雜非晶硅膜刻蝕成轉(zhuǎn)移柵電極的形狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的固態(tài)成像裝置，其中通過將濃度高于第一和第二摻雜非晶硅膜的n型雜質(zhì)擴散到該轉(zhuǎn)移柵電極的表面中和對該轉(zhuǎn)移柵電極進行熱氧化，使多層轉(zhuǎn)移柵電極的至少一層形成為氧化硅膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的固態(tài)成像裝置，其中，通過采用由氫和氧在低壓下在低壓下形成的水對該轉(zhuǎn)移柵電極進行熱氧化，使該多層轉(zhuǎn)移柵電極的至少一層形成為氧化硅膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的固態(tài)成像裝置，其中，還在構(gòu)成該柵極絕緣膜的外部氧化硅膜上形成金屬光阻擋膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的固態(tài)成像裝置，其中，n型雜質(zhì)摻雜非晶硅層中的微晶區(qū)不直接接觸該柵極絕緣膜。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的固態(tài)成像裝置，其中，在雜質(zhì)摻雜非晶硅膜之間的雜質(zhì)濃度之差值至少為1.0×1020cm-3，至多為6.0×1020cm-3。
10.一種制造固態(tài)成像裝置的方法，該固態(tài)成像裝置包括半導體襯底；形成在該半導體襯底上的光電轉(zhuǎn)換部分；形成在該半導體襯底上并覆蓋該光電轉(zhuǎn)換部分的柵極絕緣膜；用于在垂直方向轉(zhuǎn)移在該光電轉(zhuǎn)換部分產(chǎn)生的電荷的垂直轉(zhuǎn)移部分；和用于轉(zhuǎn)移該垂直轉(zhuǎn)移部分的電荷的多層轉(zhuǎn)移柵電極；其中該多層轉(zhuǎn)移柵電極的至少一層由不同雜質(zhì)濃度的至少兩層雜質(zhì)摻雜非晶硅膜構(gòu)成；和其中的雜質(zhì)摻雜非晶硅膜由以下步驟形成形成具有第一雜質(zhì)濃度的第一摻雜非晶硅膜；將第一摻雜非晶硅膜刻蝕成轉(zhuǎn)移柵電極的形狀；形成具有第二雜質(zhì)濃度的第二摻雜非晶硅膜；和將第二摻雜非晶硅膜刻蝕成轉(zhuǎn)移柵電極的形狀。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中該多層轉(zhuǎn)移柵電極的至少一層還通過以下步驟形成使?jié)舛雀哂诘谝缓偷诙诫s非晶硅膜的n型雜質(zhì)擴散到轉(zhuǎn)移柵電極的表面中；和通過熱氧化轉(zhuǎn)移柵電極來形成氧化硅膜。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中，該多層轉(zhuǎn)移柵電極的至少一層還通過以下步驟形成采用由氫和氧在低壓下形成的水對轉(zhuǎn)移柵電極進行熱氧化。
13.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中，所述雜質(zhì)摻雜非晶硅膜的平均雜質(zhì)濃度至少為1.0×1020cm-3和至多為3.0×1020cm-3。
14.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中，該柵極絕緣膜形成在從內(nèi)側(cè)依次為氧化硅膜、氮化硅膜和氧化硅膜的一個三層結(jié)構(gòu)中。
15.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中，在構(gòu)成該柵極絕緣膜的外部氧化硅膜上進一步形成金屬光阻擋膜。
16.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中在該n型雜質(zhì)摻雜非晶硅層中的微晶區(qū)不直接接觸該柵極絕緣膜。
17.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中，在所述雜質(zhì)摻雜非晶硅膜之間的雜質(zhì)濃度之差值至少為1.0×1020cm-3，至多為6.0×1020cm-3。
全文摘要
一種固態(tài)成像裝置，包括半導體襯底；形成在半導體襯底上的光電轉(zhuǎn)換部分；形成在半導體襯底上并覆蓋光電轉(zhuǎn)換部分的柵極絕緣膜；用于在垂直方向轉(zhuǎn)移在光電轉(zhuǎn)換部分產(chǎn)生的電荷的垂直轉(zhuǎn)移部分；和用于轉(zhuǎn)移該垂直轉(zhuǎn)移部分的電荷的多層轉(zhuǎn)移柵電極。多層轉(zhuǎn)移柵電極的至少一層由不同雜質(zhì)濃度的至少兩層雜質(zhì)摻雜非晶硅膜構(gòu)成。因此，該固態(tài)成像裝置及其制造方法有助于在轉(zhuǎn)移溝道中不產(chǎn)生局部勢壘，提高產(chǎn)量，改善夾在電極之間的絕緣膜的耐電壓以及防止由于光阻擋膜的局部變薄產(chǎn)生的光泄漏和金屬導體的階梯中斷。
文檔編號H01L21/70GK1630091SQ20041010219
公開日2005年6月22日 申請日期2004年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月16日
發(fā)明者巖脅直樹 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社