CN1897289A - 图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
提供了一种图像传感器及其制造方法。图像传感器包括：第一导电型衬底，包括形成在第一导电型衬底的预定部分中的沟槽；第二导电型杂质区，用于光电二极管，形成在第一导电型衬底中的沟槽的底表面之下；以及第一导电型外延层，用于光电二极管，埋在沟槽中。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于制造半导体器件的方法，更具体而言，涉及一种用于制造图像传感器的方法。
背景技术
图像传感器是将多于一维或二维的光学信息转换成电信号的器件。图像传感器可主要归类成正析图像管(image orthicon)和固态成像器件。正析图像管广泛地用在使用图像处理技术的诸如测量、控制和识别领域中，特别是在电视中，涉及正析图像管的应用技术已经得到了开发。固态成像器件可主要归类成金属氧化物半导体(MOS)型和电荷耦合器件型。
另一方面，图像传感器使用钉扎光电二极管(pinned photodiode)作为光学传感器。这里，钉扎光电二极管用来通过使用设置在光电二极管区的硅-硅氧化物层界面附近的浅P型掺杂区即钉扎层使硅-硅氧化物层界面的状态无效来维持暗电流。
图1是图示出用于制造图像传感器的传统方法的横截面图。
参考图1，器件隔离层104形成在衬底103中以分开有源区和器件隔离区。这里，衬底103包括形成在P+型衬底101上的P外延层102
随后，栅绝缘层105和栅导电层106顺序地形成在器件隔离层104和衬底103上。然后，选择性地刻蚀栅绝缘层105和栅导电层106以形成栅电极107。
此外，通过将N型杂质注入到将要形成光电二极管的地方，形成第一杂质区108。这里，将第一杂质区108形成为与栅电极107的边缘自对准。
此外，间隔物109形成在栅电极107的侧壁上。
接着，在第一杂质区108和栅电极107的预定上部部分上形成离子注入防止层，然后，将高浓度的P型杂质注入到衬底103中以形成浮动扩散区110。
随后，通过注入P型杂质，在衬底103中第一杂质区108形成的地方形成第二杂质区111作为钉扎层。这里，将第二杂质区111形成为与形成在栅电极107的侧壁上的一个单独的隔离物109的边缘自对准。
这时，形成第二杂质区111作为钉扎光电二极管的钉扎层，并常规地通过采用离子注入和退火工艺来形成。即，在衬底上执行具有极低能量的离子注入工艺，然后，执行用于激活注入到衬底中的掺杂剂的退火工艺。
另一方面，P型掺杂区即钉扎层通常需要具有比N型掺杂区更高的掺杂浓度水平，并需要从硅衬底的表面极浅地形成。因为光生效率应通过完全耗尽N型掺杂区来最大化，所以钉扎层通常需要具有高掺杂浓度水平。而且，因为短移(hypsochromic shift)经由硅层的透射率很低，所以通常钉扎层需要形成得浅以便向着短移、特别是蓝移来增加光灵敏度。
但是，随着图像传感器已变得高度集成，已经变得难以通过采用离子注入和退火工艺的传统技术来形成高浓度且浅的钉扎层。
即，即使执行具有低能量的离子注入工艺，因为钉扎层是高浓度的，由于掺杂剂在退火工艺期间的扩散而使钉扎层的深度(厚度)变得较大。此外，在更高度集成的器件中，即使在使用最小量的离子注入能量时，也不能获得对应所希望的设计规则的钉扎层深度。由此，出现了诸如购买或开发附加装置的问题。
此外，离子注入工艺由于其特性而不可避免地在衬底的表面上产生缺陷。由此，这些缺陷作为衬底表面上的悬键而起作用，并产生了噪声。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种具有高度集成、高浓度且浅的钉扎层的光电二极管及其制造方法。
本发明的另一个目的是提供一种光电二极管及其制造方法，该光电二极管通过减少在光电二极管区的衬底表面中的缺陷产生而具有较少噪声。
根据本发明的一个方面，提供一种图像传感器，包括：第一导电型衬底，其包括形成在该第一导电型衬底的预定部分中的沟槽；第二导电型杂质区，用于光电二极管，形成在第一导电型衬底中的沟槽的底表面之下；以及第一导电型外延层，用于光电二极管，埋在沟槽中。
根据本发明的另一个方面，提供一种用于制造图像传感器的方法，包括：准备第一导电型衬底；在第一导电型衬底的预定部分中形成第二导电型杂质区；刻蚀第一导电型衬底的预定部分以形成沟槽；以及将第一导电型外延层埋在沟槽中。
根据本发明的又一个方面，提供一种图像传感器，包括：第一导电型衬底；第二导电型杂质区，形成在第一导电型衬底的预定区域中；以及第一导电型外延层，形成在第二导电型杂质区上。
根据本发明的进一步的方面，提供一种用于制造图像传感器的方法，包括：准备第一导电型衬底；在第一导电型衬底的预定部分中形成第二导电型杂质区；形成暴露第一导电型衬底的预定部分的掩模图案；以及在第一导电型衬底的暴露部分上形成第一导电型外延层。
附图说明
参考结合附图给出的下列特定实施例的描述，本发明的上述和其它目的及特征将变得更好理解，在附图中：
图1是图示用于制造图像传感器的传统方法的横截面图；
图2是图示根据本发明第一实施例的图像传感器的横截面图；
图3A和3B是图示根据本发明第一实施例的用于制造图像传感器的方法的横截面图；
图4是图示根据本发明第二实施例的图像传感器的横截面图；以及
图5A和5B是图示根据本发明第二实施例的用于制造图像传感器的方法的横截面图。
具体实施方式
将参考附图详细地描述根据本发明特定实施例的图像传感器及其制造方法。
以下描述本发明的第一实施例。
图2是图示根据本发明第一实施例的图像传感器的横截面图。
参考图2，器件隔离层404形成在第一导电型衬底403中，以限定有源区和器件隔离区。这里，第一导电型衬底403包括形成在P+型衬底401上的P外延层402。
这时，第一导电型衬底403可包括硅。
随后，栅电极407形成在第一导电型衬底403的有源区上，其中栅电极407包括依次顺序形成的栅绝缘层405和栅导电层406。此外，间隔物409形成在栅电极407的侧壁上。
此外，浮动扩散区410形成在栅电极407的一侧的第一导电型衬底403中。
此外，沟槽TR形成在栅电极407的另一侧的将要形成光电二极管的第一导电型衬底403的预定部分中，并且为用于光电二极管的第二导电型杂质区408形成在沟槽TR的底表面之下的第一导电型衬底403中。
这时，沟槽TR可以以范围从约1到约100的厚度形成。
接着，第一导电型外延层412埋在沟槽TR中，并且暴露第一导电型外延层412的氮化硅层411形成在衬底结构上。
这里，第一导电型外延层412形成为钉扎层，并且可在生长期间原位掺入第一导电型杂质。
此外，第一导电型外延层412包括硅(Si)和硅锗(SiGe)之一，并可形成为接触第一导电型衬底403。
图3A和3B是图示根据本发明第一实施例的用于制造图像传感器的方法的横截面图。
如图3A中所示，在根据第一实施例的用于制造图像传感器的方法中，器件隔离层204形成在第一导电型衬底203中以限定有源区和器件隔离区。这里，第一导电型衬底203包括形成在P+型衬底201上的P外延层202。
这时，第一导电型衬底203可包括硅。
使用形成在高掺杂P+型衬底201上的低掺杂P外延层202的一个理由是因为低掺杂P外延层202的存在允许光电二极管耗尽区较大和较深的增加，由此可增加光电二极管集中光电荷的能力。另一个理由是因为具有在P型外延层202之下的高掺杂P+型衬底201允许电荷在扩散到相邻单元像素中之前的快速复合。由此，可减少光电荷的随机扩散，从而导致减小光电荷的递送功能波动。
此外，随着器件正变得高度集成，因为器件隔离层204通常不具有鸟嘴，所以通过采用浅沟槽隔离(STI)工艺来形成器件隔离层204，该浅沟槽隔离(STI)工艺可减小对器件进行电隔离的区域。
随后，栅绝缘层205和栅导电层206形成在第一导电型衬底203和器件隔离层204上，然后被选择性地刻蚀以形成栅电极207。
此外，通过在将要形成光电二极管的地方注入N型杂质来形成第二导电型杂质区208，使得第二导电型杂质区208与栅电极207的边缘自对准。
此外，间隔物209形成在栅电极207的侧壁上。
间隔物209可通过下列步骤形成：在栅电极207和第一导电型衬底203上，顺序地形成用于间隔物的缓冲氧化物层和氮化物层；以及执行干刻蚀工艺。
然后，离子注入防止层形成在第二导电型杂质区208和栅电极207的预定上部部分上，之后高浓度的P型杂质注入到第一导电型衬底203中以形成浮动扩散区210。
接着，氮化硅层211形成在上述生成的衬底结构上。这里，将氮化硅层211为在后续接触孔形成工艺中用作刻蚀停止层。
随后，将要形成光电二极管的衬底结构的预定区域通过选择性地刻蚀氮化硅层211而暴露。
如图3B中所示，使用氮化硅层211作为刻蚀阻挡来刻蚀第一导电型衬底203，以在第二导电型杂质区208上形成沟槽TR。
这时，沟槽TR以范围从约1到约100的深度形成。
此外，第一导电型外延层212埋在沟槽TR中。
这里，第一导电型外延层212形成为包括Si和SiGe之一的钉扎层，并且可原位掺入第一导电型杂质。
还可将第一导电型外延层212形成为接触第一导电型衬底203。
此外，当形成具有SiGe的第一导电型外延层212时，采用选择外延生长(SEG)方法在范围从约500℃到约900℃的温度，使用选自二氯硅烷(DSC)、硅烷(SiH4)和乙硅烷(Si2H6)组成的组中的Si源和锗烷(GeH4)的Ge源。
此外，当形成具有Si的第一导电型外延层212时，使用SEG方法在范围从约550℃到约900℃的温度，形成第一导电型外延层212。
而且，可使用乙硼烷(B2H6)源气体、以范围从约1×1018cm-3到约5×1021cm-3的掺杂浓度水平原位掺杂包含在第一导电型外延层212中的第一导电型杂质。
以下描述本发明的第二实施例。
图4是图示根据本发明第二实施例的图像传感器的横截面图。
参考图4，器件隔离层504形成在第一导电型衬底503中，以限定有源区和器件隔离区。这里，第一导电型衬底503包括形成在P+型衬底501上的P外延层502。
这时，第一导电型衬底503可包括硅。
随后，栅电极507形成在第一导电型衬底503的有源区上，其中栅电极507包括依次顺序形成的栅绝缘层505和栅导电层506。此外，间隔物509形成在栅电极507的侧壁上。
此外，浮动扩散区510形成在栅电极507的一侧的第一导电型衬底403中。
此外，第二导电型杂质区508形成在栅电极507的另一侧的将要形成光电二极管的第一导电型衬底503中。然后，在上述生成的结构上形成第一导电型外延层512作为钉扎层。
这时，第一导电型外延层512形成为接触第一导电型衬底503，并可以以范围从约50到约500的厚度形成。这里，第一导电型外延层512可原位掺入P型杂质，即第一导电型杂质。
图5A和5B是图示根据本发明第二实施例的用于制造图像传感器的方法的横截面图。
如图5A中所示，在根据第二实施例的用于制造图像传感器的方法中，器件隔离层304形成在第一导电型衬底303上以限定有源区和器件隔离区。这里，第一导电型衬底303包括形成在P+型衬底301上的P外延层302。
这时，第一导电型衬底303可包括硅。
使用形成在高掺杂P+型衬底301上的低掺杂P外延层302的一个理由是因为低掺杂P外延层302的存在允许光电二极管耗尽区较大和较深的增加，由此可增加光电二极管集中光电荷的能力。另一个理由是因为具有在P型外延层302之下的高掺杂P+型衬底301允许电荷在扩散到相邻单元像素中之前的快速复合。由此，可减少光电荷的随机扩散，从而导致减小光电荷的递送功能波动。
此外，随着器件正变得高度集成，因为器件隔离层304通常不具有鸟嘴，所以通过采用浅沟槽隔离(STI)工艺来形成器件隔离层304，该浅沟槽隔离(STI)工艺可减小对器件进行电隔离的区域。
随后，栅绝缘层305和栅导电层306形成在第一导电型衬底303和器件隔离层304上，然后被选择性地刻蚀以形成栅电极307。
此外，通过在将要形成光电二极管的地方注入N型杂质来形成第二导电型杂质区308，使得第二导电型杂质区308与栅电极307的边缘自对准。
此外，间隔物309形成在栅电极307的侧壁上。
间隔物309可通过下列步骤形成：在栅电极307和第一导电型衬底303上，顺序地形成用于间隔物的缓冲氧化物层和氮化物层；以及执行干刻蚀工艺。
然后，离子注入防止层形成在第二导电型杂质区308和栅电极307的预定上部部分上，之后将高浓度的P型杂质注入到第一导电型衬底303中以形成浮动扩散区310。
接着，掩模图案311形成在上述生成的衬底结构上。
这里，掩模图案311可以是通过采用化学气相淀积(CVD)方法形成的氧化物层。
随后，在将要形成光电二极管的地方去除掩模图案311的预定部分。
这时，掩模图案311通过采用使用氯化氢(HCl)的刻蚀工艺来刻蚀。使用HCl的刻蚀工艺可在范围从约500℃到约5,000℃的温度、以范围从约0.1托到约760托的压力执行。
如图5B中所示，第一导电型外延层312形成在通过掩模图案311的选择性刻蚀工艺而暴露的第一导电型衬底303的预定部分上。在形成第一导电型外延层312之后，通过使用氟化氢(HF)溶液去除掩模图案311。
这里，第一导电型外延层312是包括Si和SiGe之一的钉扎层，并可形成为接触第一导电型衬底303。
而且，第一导电型杂质可在生长第一导电型外延层312的同时原位掺杂，并且第一导电型杂质可使用B2H6源气体以范围从约1×1018cm-3到约5×1021cm-3的掺杂浓度水平原位掺杂。
此外，当形成具有SiGe的第一导电型外延层312时，通过采用SEG方法在范围从约500℃到约900℃的温度，使用选自DSC、SiH4和Si2H6组成的组中的Si源和GeH4的Ge源。
此外，当形成具有Si的第一导电型外延层312时，使用SEG方法在范围从约550℃到约900℃的温度，形成第一导电型外延层312。
而且，可使用B2H6源气体以范围从约1×1018cm-3到约5×1021cm-3的掺杂浓度水平原位掺杂包含在第一导电型外延层312中的第一导电型杂质。
如上所述，通过采用原位掺杂的Si或SiGe外延层作为第一导电型外延层，本发明的第一和第二实施例可保证具有均匀掺杂水平的浅P型杂质区，其中第一导电型外延层是形成在由P/N/P结制成的光电二极管上的P型杂质区。
由此，钉扎电压的控制变得容易，并且，通过改变已变成可见光区域中的限制的蓝光区域的光电转换效率的设计，本发明的特定实施例可容易地实施而没有附加的布局改变。
而且，通过浅形成P型杂质区，N型杂质区可厚形成，由此增加了光载流子的产生。
此外，通过去除外延层上的氮化硅层，其中氮化硅层起到接触孔刻蚀停止层的作用，增加了光接收效率。
另外，因为外延层在生长期间原位掺杂，可解决由离子注入工艺引起的悬键缺陷，并可消除噪声。
本发明包含涉及2005年7月11日提交到韩国专利局的韩国专利申请No.KR 2005-0062300的主题，其全部内容通过引用合并与此。
尽管已针对某些特定实施例描述了本发明，对本领域的技术人员显而易见的是，可在所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内对本发明进行各种改变和修改。
Claims (37)
1.一种图像传感器，包括：
第一导电型衬底，包括形成在所述第一导电型衬底预定部分中的沟槽；
第二导电型杂质区，用于光电二极管，形成在所述第一导电型衬底中的所述沟槽的底表面之下；以及
第一导电型外延层，用于光电二极管，埋在所述沟槽中。
2.如权利要求1的图像传感器，还包括形成在所述第一导电型衬底上的氮化硅层，暴露所述外延层。
3.如权利要求1的图像传感器，其中所述第一导电型外延层是钉扎层。
4.如权利要求1的图像传感器，其中在所述第一导电型外延层生长的同时所述第一导电型杂质原位掺杂。
5.如权利要求1的图像传感器，其中所述第一导电型外延层包括硅(Si)和硅锗(SiGe)之一。
6.如权利要求1的图像传感器，其中所述第一导电型外延层形成为接触所述第一导电型衬底。
7.如权利要求1的图像传感器，其中所述沟槽以范围从约1到约100的深度形成。
8.如权利要求1的图像传感器，其中所述第一导电型衬底包括硅。
9.一种用于制造图像传感器的方法，包括：
准备第一导电型衬底；
在所述第一导电型衬底的预定部分中形成第二导电型杂质区；
刻蚀所述第一导电型衬底的预定部分以形成沟槽；以及
在所述沟槽中埋入第一导电型外延层。
10.如权利要求9的方法，其中所述沟槽的形成包括使用氮化硅层作为刻蚀阻挡来执行刻蚀工艺，其中所述氮化硅层暴露所述第一导电型衬底的所述预定部分。
11.如权利要求9的方法，其中所述第一导电型外延层是钉扎层。
12.如权利要求9的方法，其中所述第一导电型外延层的埋入包括在生长所述第一导电型外延层的同时原位掺杂所述第一导电型杂质。
13.如权利要求12的方法，其中使用乙硼烷(B2H6)源气体以范围从约1×1018cm-3到约5×1021cm-3的掺杂浓度水平原位掺杂所述第一导电型杂质。
14.如权利要求9的方法，其中所述第一导电型外延层包括Si和SiGe之一。
15.如权利要求14的方法，其中所述SiGe包括选自二氯硅烷(DCS)、硅烷(SiH4)和乙硅烷(Si2H6)组成的组中的Si源和锗烷(GeH4)的Ge源。
16.如权利要求14的方法，其中使用选择外延生长(SEG)方法在范围从约550℃到约900℃的温度形成所述Si。
17.如权利要求14的方法，其中使用SEG方法在范围从约500℃到约900℃的温度形成所述SiGe。
18.如权利要求9的方法，其中所述第一导电型外延层的埋入包括将所述第一导电型外延层形成为接触所述第一导电型衬底。
19.如权利要求9的方法，其中所述沟槽的形成包括以范围从约1到约100的深度形成所述沟槽。
20.如权利要求9的方法，其中所述第一导电型衬底包括硅。
21.一种图像传感器，包括：
第一导电型衬底；
第二导电型杂质区，形成在所述第一导电型衬底的预定区域中；以及
第一导电型外延层，形成在所述第二导电型杂质区上。
22.如权利要求21的图像传感器，其中所述第一导电型外延层是钉扎层。
23.如权利要求21的图像传感器，其中所述第一导电型外延层形成为接触所述第一导电型衬底。
24.如权利要求21的图像传感器，其中所述第一导电型外延层以范围从约50到约500的厚度形成，并原位掺入第一导电型杂质。
25.如权利要求21的图像传感器，其中所述第一导电型衬底包括硅。
26.一种用于制造图像传感器的方法，包括：
准备第一导电型衬底；
在所述第一导电型衬底的预定部分中形成第二导电型杂质区；
形成暴露所述第一导电型衬底的所述预定部分的掩模图案；以及
在所述第一导电型衬底的暴露部分上形成第一导电型外延层。
27.如权利要求26的方法，还包括使用氟化氢(HF)溶液去除所述掩模图案。
28.如权利要求26的方法，其中所述第一导电型外延层是钉扎层。
29.如权利要求26的方法，其中所述第一导电型外延层的形成包括在生长所述第一导电型外延层的同时原位掺杂所述第一导电型杂质。
30.如权利要求29的方法，其中使用B2H6源气体、以范围从约1×1018cm-3到约5×1021cm-3的掺杂浓度水平原位掺杂所述第一导电型杂质。
31.如权利要求26的方法，其中所述第一导电型外延层包括Si和GeSi之一。
32.如权利要求31的方法，其中所述SiGe包括选自DCS、SiH4和Si2H6组成的组中的Si源和GeH4的Ge源。
33.如权利要求31的方法，其中使用SEG方法在范围从约550℃到约900℃的温度形成包括Si的所述第一导电型外延层，并使用SEG方法在范围从约500℃到约900℃的温度形成包括SiGe的所述第一导电型外延层。
34.如权利要求26的方法，其中所述第一导电型外延层的形成包括将所述第一导电型外延层形成为接触所述第一导电型衬底。
35.如权利要求26的方法，其中所述掩模图案的形成包括形成通过采用化学气相淀积(CVD)方法形成的氧化层。
36.如权利要求26的方法，其中所述掩模图案的形成包括通过在范围从约500℃到约5,000℃的温度以及范围从约0.1托到约760托的压力的特定配方下执行使用氯化氢(HCl)的刻蚀工艺来形成所述掩模图案。
37.根据权利要求26的方法，其中所述第一导电型衬底包括硅。
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