[发明专利]半导体器件及其制造方法以及固态摄像元件

说明书

技术领域

本申请涉及包含了具有埋入半导体衬底中的栅电极和栅极绝缘膜的竖直型金属氧化物半导体(MOS)晶体管的半导体器件及其制造方法。此外，本发明涉及在像素部分中包括竖直型MOS晶体管的固态摄像元件。

背景技术

在固态摄像元件中，为增强灵敏度而提高了电路的集成度，并且因此提出了各种类型的用于确保光电二极管的面积的技术。

例如，提出了一种其中在硅衬底背面侧上的光电二极管上形成沟槽，并且在沟槽的内部设置转移栅极，从而在沟槽中形成了竖直型MOS晶体管的结构。该技术例如在日本专利公报No.2005-223084中描述。

在形成在沟槽中的竖直型MOS晶体管中，栅电极的电极材料埋在由栅极绝缘膜覆盖的沟槽中。因此，沟槽的侧壁部分和底部表面部分构成了沟道部分。

通过这种结构，因为相比于光电二极管和转移栅极分别形成在硅衬底的前表面那一侧上的结构，可以增大光电二极管的面积，所以可以增强灵敏度。

发明内容

具有包含了作为转移栅极的栅极的竖直型MOS晶体管的固态摄像元件具有以下结构：其中竖直型MOS晶体管和像素部分中的、每个构造为普通平面型MOS晶体管的形式的MOS晶体管(放大MOS晶体管，选择MOS晶体管和复位MOS晶体管)以及逻辑部分中的MOS晶体管被嵌入。因为这个原因，电极形成过程变得复杂。

在对仅由平面型MOS晶体管组成的现有固态摄像元件的制造过程中，在形成单个多晶硅层之后，使用各自的光掩模(每个都应用了光刻工艺)来执行图案化和离子注入，从而彼此分别地形成了NMOS部分的电极和PMOS部分的电极。这就是说，可以以此方式采用简单的制造过程。

然而，在具有竖直型MOS晶体管的固态摄像元件中，在期望形成竖直型MOS晶体管的具有埋入沟槽中几微米深度的电极层时，因为沟槽形成得很深，所以通过使用离子注入过程引入到电极层中的杂质离子不扩散到竖直孔的底部。

由于这个原因，上面描述的简单制造处理(通过该处理，使用光刻处理和离子注入处理而彼此分别形成NMOS部分的电极和PMOS部分的电极)，不应用到具有竖直型MOS晶体管的固态摄像元件。

然后，人们希望在形成电极层的同时将杂质引入到电极层，而不是在形成电极层之后通过使用离子注入引入杂质。以这种方式形成竖直型MOS晶体管的电极层，由此即使在具有竖直型MOS晶体管的固态摄像元件中，也变得有可能彼此分别形成NMOS部分的电极和PMOS部分的电极。

参照图5A到图5H，将说明一种在形成电极层的同时将杂质引入电极层时，以此方式制造具有竖直型MOS晶体管的固态摄像元件的方法。在这种情况下，假设有深度1μm并且直径0.2μm的圆柱状竖直型MOS晶体管。

如图5A所示，在将竖直孔形成在硅衬底101中之后，将栅极绝缘膜102形成在硅衬底101上。在这之后，成为栅电极的电极层103形成为使其被填充在硅衬底101的竖直孔中。其中含有n型杂质的半导体层(例如磷掺杂无定形硅(PDAS)层)形成为电极层103。

之后，如图5B所示，具有对应于竖直型NMOS晶体管以及像素部分中的NMOS晶体管的栅电极的图案的光刻胶106形成在电极层103上。

之后，如图5C所示，在光刻胶106作为掩模的状态下，对电极层103进行处理，由此分别形成竖直型NMOS晶体管的n型栅电极103a和像素部分中的NMOS晶体管部分的n型栅电极103b。

之后，如图5D所示，在形成成为蚀刻终止膜的氧化物膜109以覆盖n型栅电极103a和n型栅电极103b之后，形成电极层107以使其覆盖硅衬底101的整个表面。

之后，如图5E和5F所示，形成了具有对应于逻辑部分的NMOS晶体管的栅电极和PMOS晶体管的栅电极的图案的光刻胶108。在此之后，在光刻胶108作为掩模的状态下，通过采用光刻处理和干法蚀刻法对电极层107进行处理，借此形成了逻辑部分中的NMOS晶体管的栅电极107a和逻辑部分中的PMOS晶体管的栅电极107b。

之后，如图5G所示，光刻胶110形成为使其覆盖包含竖直型NMOS晶体管的像素部分以及逻辑部分中的NMOS晶体管。并且，将硼(B)离子注入到在光刻胶110作为掩模的状态下没有被掩模的区域中，由此将逻辑部分中的PMOS晶体管的栅电极107b的导电类型从n型变为p型。

如图5H所示，可以以上述方式形成竖直型NMOS晶体管和像素部分中的NMOS晶体管以及逻辑部分中的NMOS晶体管和PMOS晶体管的栅电极103a、103b以及107a、107b。