CN1832188B - 固态成像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种MOS固态成像装置，其中MOS晶体管的耐压和l/f噪声得以改善。在该MOS固态成像装置中，它的单位像素至少包括光电转换部分和多个绝缘栅场效应晶体管，其中，在多个绝缘栅场效应晶体管中，在部分绝缘栅场效应晶体管中的栅极绝缘膜的厚度与至少部分其它绝缘栅场效应晶体管的栅极绝缘膜的厚度不同。

Description

固态成像装置
技术领域
本发明涉及固态成像装置及其制备方法，特别涉及MOS(或CMOS)型固态成像装置，它的单位像素至少具有光电转换部分和多个绝缘栅场效应晶体管(以下主要称为MOS晶体管)。
背景技术
图1示出了MOS型固态成像装置示例的示意性结构图。该固态成像装置具有成像部分20和外围电路，在成像部分20中在水平和垂直方向上设置了多个单位像素1，外围电路比如为垂直驱动电路21和水平驱动电路22。
如图2所示，例如，单位像素1配置来具有光电二极管2、读出MOS晶体管3、FD(浮置扩散)放大器MOS晶体管4、FD复位MOS晶体管5和垂直选择MOS晶体管6(参见专利文献1)，其中光电二极管2是作为传感器的光电转换部分，读出MOS晶体管3读出在光电二极管内根据接收的光的量所产生的信号电荷，FD放大器MOS晶体管4将信号电荷转换为对应于其数量的电流。
然而，在固态成像装置中的读出MOS晶体管中出现了各种问题。
已经发现上述构成单位像素的MOS晶体管是由相同厚度的氧化膜制成的栅极绝缘膜形成的，这导致了问题产生。
例如，对于从上述作为光电转换部分的光电二极管2读出信号电荷的读出MOS晶体管3，存在读出晶体管的耐压问题，使得在高电场施加到栅极和为浮置扩散的漏极之间时，栅极绝缘膜被损坏。
具体而言，耐压成为问题是因为当晶体管关闭时，栅极电势相对于晶体管形成部分中的阱区被设定为负电势，以抑制由栅极区域的下层的耗尽所产生的漏电流和减少噪声(参见专利文献2)，并且FD的电势，即读出MOS晶体管的漏极的电压，需要被设定为高电势，以增加信号电荷量，换言之，传感器部分中积累的饱和信号量，以及提高动态范围。
另一方面，对于将信号电荷转换为电压或电流的放大器MOS晶体管而言，存在这样的问题，即在转换时产生了噪声信号。已知在信号转换时产生的噪声是由被调制的载流子的数量所产生的1/f噪声，从而MOS晶体管的栅极部分具有Si-SiO2的界面的平面例如随机捕获和释放与导电率相关的载流子。
1/f噪声的数量v由如下的公式(1)和(2)表示：
v2＝af/(COX 2·L·W·f)    (1)
或
v2＝af/(COX·L·W·f)      (2)
其中，COX是栅极绝缘膜电容量，L是栅极长度，W是栅极宽度，f是工作频率，af在n沟道MOS的情形为5×10-31[C2/cm2]，在p沟道MOS的情形为5×10-32[C2/cm2]。
在上述公式中清楚的是，1/f噪声的数量v取决于栅极绝缘膜电容量，即膜的厚度。
然而，通常放大器MOS晶体管的栅极绝缘膜的厚度选择来与其它晶体管的相同，所以难于减少1/f噪声。
专利文献1：日本专利申请公开第2000-299453号；
专利文献2：日本专利申请公开第2003-143480号。
发明内容
本发明提供了一种固态成像装置，其中所述固态成像装置中的各种问题得以解决，具体而言，耐压得到提高并1/f噪声被减小，本发明也提供了固态成像装置的制备方法。
根据本发明实施例的固态成像装置是MOS型固态成像装置，其包括：单位像素，其至少具有光电转换部分和多个绝缘栅场效应晶体管，其中，在多个绝缘栅场效应晶体管中，在部分绝缘栅场效应晶体管中的栅极绝缘膜的厚度与至少部分其它绝缘栅场效应晶体管的栅极绝缘膜的厚度不同。
根据本发明的实施例，在单位像素的与光电转换部分相邻的信号电荷读出绝缘栅场效应晶体管中的栅极绝缘膜的厚度被选择来大于单位像素的其它绝缘栅场效应晶体管中的栅极绝缘膜的厚度。
根据本发明的实施例，将单位像素的信号电荷转换为电压或电流信号的放大器绝缘栅场效应晶体管中的栅极绝缘膜的厚度被选择来小于单位像素的其它绝缘栅场效应晶体管中的栅极绝缘膜的厚度。
根据本发明实施例的制备固态成像装置的方法是一种制备这样的固态成像装置的方法，该固态成像装置包括单位像素，该单位像素至少具有光电转换部分和多个绝缘栅场效应晶体管，其中，在部分绝缘栅场效应晶体管中的栅极绝缘膜的厚度与至少部分其它绝缘栅场效应晶体管的栅极绝缘膜的厚度不同，方法包括如下步骤：在形成栅极绝缘膜的过程中，在半导体衬底的表面上形成第一掩模层以形成栅极绝缘膜，在栅极绝缘膜中形成了最终形成第一厚度的栅极绝缘膜的第一开口和形成第二厚度的栅极绝缘膜的第二开口，第二厚度小于第一厚度；在第一和第二开口中形成厚度小于第一厚度的第一绝缘层；形成第二掩模层，第二掩模层在第一开口中覆盖第一绝缘层，并且在第二开口中具有显露第一绝缘层的开口；通过第二掩模层的开口去除第一绝缘层；以及去除第二掩模层以通过第一掩模层的第一和第二开口形成第二厚度的栅极绝缘膜，其中，第一厚度的栅极绝缘膜是由第一和第二绝缘层的重叠部分形成，并且第二厚度的栅极绝缘膜是由第二绝缘膜形成。
附图说明
图1是根据本发明实施例的固态成像装置示意性结构图；
图2是根据本发明实施例的固态成像装置的单位像素的示意性结构图；
图3是根据本发明实施例的固态成像装置的相关部分的示意性横截面视图；
图4是根据本发明实施例的固态成像装置的相关部分的示意性横截面视图；
图5A到5E是根据本发明实施例的固态成像装置的制备方法的制备工艺视图；以及
图6是根据本发明实施例的拍摄装置的结构图。
具体实施方式
对根据本发明的MOS晶体管的实施例进行了解释。然而，根据本发明实施例的MOS型固态成像装置并不限于此。
图1示出了固态成像装置的示意性结构视图，其是根据本发明的MOS型固态成像装置实施例，包括成像部分20和外围电路，在成像部分20中在水平和垂直方向上以矩阵方式排列多个单位像素1，外围电路比如为垂直驱动电路21和水平驱动电路22。
如参见图2所说明的，单位像素1包括光电二极管2、读出MOS晶体管3、FD(浮置扩散)放大器MOS晶体管4、FD复位MOS晶体管5和垂直选择MOS晶体管6(参见专利文献1)，其中光电二极管2是作为传感器的光电转换部分，读出MOS晶体管3读出在光电二极管2根据接收的光的量所产生的信号电荷，FD放大器MOS晶体管4将信号电荷转换为对应于其数量的电流，垂直选择MOS晶体管6作为垂直选择开关元件。
而且，在每一行(水平线)中，读出MOS晶体管3的栅电极连接到公共垂直读出线7，并且垂直选择MOS晶体管6的栅电极连接到公共垂直选择线8。
而且，每一列(垂直线)中的复位MOS晶体管5的栅电极连接到公共水平复位线9，并且垂直选择MOS晶体管6的漏极连接到公共垂直信号线10。
每个垂直信号线10通过图1所示的水平开关元件23的MOS晶体管连接到水平信号线24，并且通过放大器25连接到输出端子t。
垂直选择线8和垂直读出线7中每个都连接到垂直驱动电路21，并且分别施加垂直扫描脉冲和水平读出脉冲。
水平复位线9和控制栅极连接到水平驱动电路22，并且水平复位脉冲和水平扫描脉冲被顺序施加，控制栅极是水平开关元件23的栅电极。
因此，在垂直扫描脉冲从垂直驱动电路21施加到垂直选择线8的状态时，在单位像素1中，在所需要的脉冲电压施加到垂直读出线且水平扫描脉冲施加到将处于开状态的垂直信号线10的开关元件23的位置，放大器MOS晶体管4的输出被选择，并且从垂直选择MOS晶体管被提取以通过水平开关元件23引导至水平信号线，并且从输出端子t取出作为放大器25中放大的图像信号。
因此，在本发明的实施例中，栅极绝缘膜在构成单元像素1的多个MOS晶体管中被改变。
参考图3和图4，对根据本发明的实施例1(图3)和实施例2(图4)进行解释。
图3和图4是固态成像装置中的一个单位像素的示意性横截面视图，每个示出了光电转换部分(光电二极管)、读出MOS晶体管3、复位MOS晶体管5、放大器MOS晶体管4和垂直选择MOS晶体管6。
图3和图4都示出了其中每个MOS晶体管是n沟道MOS晶体管的情形。
在该情形中，在半导体衬底30中形成了p型阱区域31，形成光电转换部分的光电二极管2的n型阱区域32，其中n型区域形成得在其表面上形成有高浓度p型电荷累积层。
然后，读出MOS晶体管3与光电转换部分2相邻形成，并且相邻的漏极区域或源极区域是公共的n型漏极或源极区域，复位MOS晶体管5、放大器MOS晶体管4和垂直选择MOS晶体管6形成在这些区域之间，并且栅电极53、55、54、56分别通过栅极绝缘膜43、45、44、46分别形成在其上，因此，分别获得了读出MOS晶体管3、复位MOS晶体管5、放大器MOS晶体管4和垂直选择MOS晶体管6。
这些MOS晶体管每个具有所谓的LDD(浅掺杂漏极)晶体管结构，在其中在邻近每个漏极或源极区域33的栅极侧的侧面上形成低浓度的漏极或源极区域33L。
【实施例1】
如图3所示，在该示例中，例如在读出MOS晶体管3中的栅极绝缘膜43的厚度制成为9nm，这比在其它MOS晶体4、5和6中的每个栅极绝缘膜44、45、46例如6nm的厚度要大。
根据该实施例，在读出MOS晶体管3的栅极和漏极之间的耐压可以得到提高，因此动态范围可以如先前所述那样被扩大。
【实施例2】
如图4所示，在该示例中，例如在放大器MOS晶体管4中的栅极绝缘膜44的厚度制成为6nm，这比在其它MOS晶体3、5和6中的每个栅极绝缘膜43、45、46例如9nm的厚度要小。
根据该实施例，放大器MOS晶体管4的COX可以变大以减小1/f噪声。
所以，例如在实施例1中，读出MOS晶体管3的栅极绝缘膜厚度形成得大和其它包括放大器MOS晶体管在内的MOS晶体管的栅极绝缘膜厚度形成得小，可以使得动态范围变大。
接着，对根据本发明的上述固态成像装置的制备方法进行解释。在该情形中，通常用来形成半导体区域的方法可以被利用来形成各个区域具体而言，形成上述每个阱区和光电转换部分(光电二极管)，每个MOS晶体管的漏极或源极区域和栅电极等；然而，由于在形成厚度不同的栅极绝缘膜的过程中使用了特定的方法，所以参考图5对其实施例进行说明。
在该情形，代表性地示出了形成要求大厚度的栅极绝缘膜的MOS晶体管例如实施例1中的读出MOS晶体管3的区域(称为第一区域61)和形成其它MOS晶体管4、5和6的区域(称为第二区域62)。
如图5A所示，具有第一和第二开口70W1和70W2的掩模层70形成在例如由Si制成的半导体衬底30的第一和第二区域61和62上。该掩模层可以是由通过局部热氧化，即例如通过LOCOS，而形成的隔离和绝缘层。
例如，通过半导体衬底30的表面热氧化形成第一绝缘层81，第一绝缘层81的厚度T1小于栅极绝缘膜43的厚度，栅极绝缘膜43具有最终在第一和第二区域61和62上形成的较大的厚度。
如图5B所示，在半导体衬底30上形成第二掩模层71，其由光致抗蚀剂层形成，其中通过光刻在第二区域62形成开口71W。该开口71W可以形成得大于上述第二开口70W2，并且可以也通过以未达到开口70W1的程度的大余量来定位从而形成。
如图5C所示，通过被用作蚀刻掩模的第二掩模层71，将第二区域62的第一绝缘层81通过开口71W被蚀刻和去除。
如图5D所示，在去除第二掩模层71之后，例如在第一和第二区域61和62中还通过第二热氧化形成厚度为T2的第二绝缘层82。
因此，可以通过形成第一和第二绝缘层，即例如利用比如调整时间的第一和第二热氧化条件，从而在第一区域61中形成由大的厚度T3的第三绝缘层83制成的所希望厚度的栅极绝缘膜43。
所以，如图5E所示，大厚度的读出MOS晶体管3的栅极绝缘膜43例如可以形成在第一区域61中，并且小厚度的放大器MOS晶体管4、复位MOS晶体管5和垂直选择MOS晶体管6的栅极绝缘膜44、45、46形成在第二区域62中。
因此，在栅电极G形成在其上的情形，虽然在图中未示出，但是形成了低浓度漏极或源极区域33L，所谓的侧壁形成在栅电极G的侧表面上，漏极或源极区域33形成来获得具有图3所示的单位像素的固态成像装置。
而且，当包括上述实施例2的结构时，在图5A至5B中的第一区域61成为其中形成读出MOS晶体管3、复位MOS晶体管5和垂直选择MOS晶体管6每个的栅极绝缘膜43、45、46的部分，第二区域62成为其中形成放大器MOS晶体管4的栅极绝缘膜44的部分。
因此，根据本发明的制造方法的实施例，包括厚度不同的栅极绝缘膜的MOS晶体管可以用简化的工艺形成。
这里，虽然上述实施例主要基于n沟道MOS晶体管结构，也可以使用p沟道MOS晶体管结构，并且在该情形，在每个图中将导电类型反转。
而且，根据本发明实施例的固态成像装置可以是拍摄装置(相机或相机模块)，其形成来包括光学系统和其它芯片。在该情形，该拍摄装置包括用于图像拾取的传感部分90、进行信号处理的信号处理部分91，而且可以包括如图6所示的光学系统62。
本领域的普通技术人员应该理解，只要在权利要求及其等同方案的范围内，根据设计要求即其它因数，可以进行各种修改、组合、子组合和替换。
本发明包含有与2005年3月9日递交于日本专利局的日本专利申请JP2005-065987相关的主题，将其全部内容引用结合于此。

Claims (4)

1.一种MOS型固态成像装置，包括：
单位像素，至少包括光电转换部分和多个绝缘栅场效应晶体管，
其中，在所述多个绝缘栅场效应晶体管中，在部分绝缘栅场效应晶体管中的栅极绝缘膜的厚度与至少部分其它绝缘栅场效应晶体管的栅极绝缘膜的厚度不同，
其中将所述单位像素的信号电荷转换为电压或电流信号的放大器绝缘栅场效应晶体管中的栅极绝缘膜的厚度被选择来小于所述单位像素中其它绝缘栅场效应晶体管中的栅极绝缘膜的厚度。
2.根据权利要求1的固态成像装置，
其中，在所述单位像素中与所述光电转换部分相邻的信号电荷读出绝缘栅场效应晶体管中的栅极绝缘膜的厚度被选择来大于所述单位像素中其它绝缘栅场效应晶体管中的栅极绝缘膜的厚度。
3.一种制备固态成像装置的方法，所述固态成像装置包括单位像素，所述单位像素至少具有光电转换部分和多个绝缘栅场效应晶体管，其中，在部分绝缘栅场效应晶体管中的栅极绝缘膜的厚度与至少部分其它绝缘栅场效应晶体管的栅极绝缘膜的厚度不同，其中将所述单位像素的信号电荷转换为电压或电流信号的放大器绝缘栅场效应晶体管中的栅极绝缘膜的厚度被选择来小于所述单位像素中其它绝缘栅场效应晶体管中的栅极绝缘膜的厚度，所述方法包括如下步骤：
在形成所述栅极绝缘膜的过程中，
在半导体衬底的表面上形成第一掩模层以形成栅极绝缘膜，在所述栅极绝缘膜中形成了最终形成第一厚度的栅极绝缘膜的第一开口和形成第二厚度的栅极绝缘膜的第二开口，所述第二厚度小于第一厚度；
在所述第一和第二开口中形成厚度小于所述第一厚度的第一绝缘层；
形成第二掩模层，所述第二掩模层在所述第一开口中覆盖所述第一绝缘层，并且在所述第二开口中具有显露所述第一绝缘层的开口；
通过所述第二掩模层的开口去除所述第一绝缘层；以及
去除所述第二掩模层以通过所述第一掩模层的第一和第二开口形成所述第二厚度的栅极绝缘膜，
其中，所述第一厚度的栅极绝缘膜由所述第一和第二绝缘层的重叠部分形成，并且所述第二厚度的栅极绝缘膜由所述第二绝缘膜形成。
4.一种拍摄装置，包括：
成像部分，其中排列了多个单位像素，所述单位像素包括光电转换部分和多个绝缘栅场效应晶体管，以及
信号处理部分，对从所述成像部分输出的信号进行信号处理，
其中，在所述多个绝缘栅场效应晶体管中，在部分绝缘栅场效应晶体管中的栅极绝缘膜的厚度与至少部分其它绝缘栅场效应晶体管的栅极绝缘膜的厚度不同，且
其中将所述单位像素的信号电荷转换为电压或电流信号的放大器绝缘栅场效应晶体管中的栅极绝缘膜的厚度被选择来小于所述单位像素中其它绝缘栅场效应晶体管中的栅极绝缘膜的厚度。
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