CN1992315B - Cmos图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
提供一种CMOS图像传感器。该CMOS图像传感器包括:光电二极管区,其形成在半导体衬底的有源区中;晶体管,其形成在该衬底的有源区的晶体管区上;低浓度扩散区,其形成在该光电二极管区上,并与该衬底的器件隔离区相间隔;高浓度扩散区,其形成在该低浓度扩散区上;以及浮置扩散区,其形成在该晶体管的漏极区中。
Description
本申请要求享有2005年12月28日递交的申请号为No.10-2005-0132682的韩国专利申请的优先权,该申请的全部内容已通过援引合并在本申请中。
技术领域
本发明涉及CMOS图像传感器及其制造方法。
背景技术
图像传感器是用于将光图像转换为电信号的半导体器件,通常分为电荷耦合器件(CCD)或CMOS图像传感器。
在CCD中,以矩阵的形式设置用于将光转换为电信号的多个光电二极管(PD)。
此外,CCD包括:多个垂直电荷耦合器件(VCCD),其垂直排列在矩阵中的各光电二极管之间,用以当各光电二极管产生电荷时在垂直方向传输电荷;多个水平电荷耦合器件(HCCD),其用以在水平方向传输从VCCD传输的电荷;以及感测放大器,用于通过感测正在水平方向传输的电荷来输出电信号。
但是,这种CCD具有多种缺点,例如驱动模式复杂、功耗高等。并且,CCD需要多步(multi-step)光处理,因此CCD的制造过程复杂。
此外,由于难以将控制电路、信号处理电路、A/D转换器等集成在CCD芯片上,所以产品的微型化难以实现。
近来,作为用以克服CCD的上述缺点的下一代图像传感器,CMOS图像传感器已经成为人们关注的焦点。
CMOS图像传感器为采用开关方案的器件。具体地,使用CMOS技术在半导体衬底上形成MOS晶体管,并将控制电路、信号处理电路等用作外围电路,从而使得各像素单元的输出可由这些MOS晶体管顺序检测。
即,在CMOS图像传感器中,在各像素单元中形成光电二极管和MOS晶体管,从而可在开关方案中顺序检测各像素单元的电信号,由此实现图像。
由于将CMOS制造技术用于制造CMOS图像传感器,CMOS图像传感器可以具有降低的功耗和减少的光处理步骤,从而与CCD相比能够简化制造工艺。
此外,由于控制电路、信号处理电路、A/D转换器等可以集成在图像传感器芯片上,CMOS图像传感器具有易于实现产品的微型化的优点。
因而,CMOS图像传感器已被广泛用于各种应用,例如数码相机和数码摄像机。
CMOS图像传感器根据每个像素单元中形成的晶体管数目分为3T式、4T式、5T式等。3T式CMOS图像传感器包括1个光电二极管和3个晶体管,4T式CMOS图像传感器包括1个光电二极管和4个晶体管。
以下参照图1和图2说明4T式CMOS图像传感器的像素单元的布局。
图1为根据现有技术的4T式CMOS图像传感器的等效电路,图2示出根据现有技术的4T式CMOS图像传感器的像素单元的布局。
如图1所示,CMOS图像传感器的像素单元100包括用作光电转换部分的1个光电二极管(PD)10和4个晶体管。
这里,所述4个晶体管分别为转移、复位、驱动和选择晶体管20、30、40和50。此外,负载晶体管60电连接至各像素单元100的输出端子OUT。
参考标记FD代表浮置扩散区,参考标记Tx、Rx和Sx分别代表转移、复位和选择晶体管20、30和50的栅极信号。
参照图2,在根据现有技术的4T式CMOS图像传感器的像素单元中,定义具有宽部和窄部的有源区13。在有源区13中的宽度较大部分上形成1个光电二极管,形成与有源区13的窄部重叠的用于4个晶体管的4个栅电极23、33、43和53。
即,分别由第一、第二、第三和第四栅电极23、33、43和53形成转移、复位、驱动和选择晶体管20、30、40和50。
通过将杂质离子注入到围绕各栅极23、33、43和53但不位于各栅极23、33、43和53正下方的有源区中,形成各晶体管的源/漏极区。
图3A至图3C为沿图2中的I-I’线所取的剖视图,用于示出根据现有技术的CMOS图像传感器的制造过程。
如图3A所示,通过进行外延工艺,在第一导电类型半导体衬底61上形成第一导电类型低浓度外延层62。
随后,在半导体衬底61中定义有源区和器件隔离区,并使用STI工艺在该器件隔离区中形成器件隔离膜63。
在具有器件隔离膜63的外延层62的整个表面上顺序沉积绝缘膜64和导电层(例如,高浓度多晶硅层),并去除该导电层和栅绝缘膜64的一部分以形成栅电极65。
参照图3B,在半导体衬底61的整个表面上涂布第一光致抗蚀剂,并通过曝光和显影处理对其进行图案化以暴露光电二极管区。各光电二极管区通常分别对应于蓝、绿和红色波长。
然后,通过利用被图案化的第一光致抗蚀剂作为掩模将第二导电类型杂质离子以低浓度注入到外延层62中,在光电二极管区中形成第二导电类型的低浓度扩散区67。
在完全去除所述第一光致抗蚀剂之后,在半导体衬底61的整个表面上沉积绝缘膜,然后通过进行回蚀处理在栅电极65的两侧表面上形成间隔件(spacers)68。
之后,在半导体衬底61的整个表面上涂布第二光致抗蚀剂,并通过曝光和显影对其图案化,以覆盖光电二极管区并暴露各晶体管的源/漏极区。
通过利用被图案化的第二光致抗蚀剂作为掩模将第二导电类型杂质离子以高浓度注入到被暴露的源/漏极区中,形成第二导电类型浮置扩散区70。
参照图3C,在去除第二光致抗蚀剂之后,在半导体衬底61的整个表面上涂布第三光致抗蚀剂,并通过曝光和显影处理对第三光致抗蚀剂图案化,以暴露光电二极管区。通过利用被图案化的第三光致抗蚀剂作为掩模将第一导电类型杂质离子注入到具有第二导电类型的低浓度外延层67的光电二极管区中,形成第一导电类型扩散区72。之后,去除第三光致抗蚀剂,并通过进行热处理使得各杂质扩散区扩散。
形成深度与器件隔离膜63的深度相似且宽度较宽的第二导电类型低浓度扩散区67,其中电子聚集在光电二极管区中。因此,扩散区67形成于栅电极65和器件隔离膜63之间的整个区域中。
但是,由于扩散区67的宽度较宽,所以与红或长波长相对应的光电二极管的光接收特性会根据耗尽区69而变化。此外,由于第二导电类型低浓度扩散区67与器件隔离膜63直接相邻,所以在第二导电类型低浓度扩散区67与器件隔离膜63之间可能产生缺陷,从而产生暗电流。
此外,存在第二导电类型低浓度扩散区67与相邻像素的串扰现象增加的问题。
发明内容
因此,本发明的一个目的是提供一种用以增强光电二极管特性的CMOS图像传感器及该图像传感器的制造方法。
本发明的另一目的是提供一种能够防止暗电流产生并减少与相邻像素的串扰现象的CMOS图像传感器,以及该CMOS图像传感器的制造方法。
根据本发明的优选实施例,提供一种CMOS图像传感器,其包括:半导体衬底,其具有用于像素单元的有源区和器件隔离区;光电二极管区,其形成在该有源区中;晶体管,其形成在该有源区中并与该光电二极管区相邻;低浓度扩散区,其形成在该光电二极管区上,并与该器件隔离区相间隔;高浓度扩散区,其形成在该低浓度扩散区上;以及浮置扩散区,其形成在该晶体管的漏极区中。
根据本发明的另一优选实施例,提供一种CMOS图像传感器,其包括:半导体衬底,其具有有源区和器件隔离区;光电二极管区,其形成在该有源区中;晶体管,其形成在该有源区上并与该光电二极管区相邻;第二导电类型低浓度扩散区,其形成在该光电二极管区上,并与该器件隔离区相间隔;第一导电类型高浓度扩散区,其形成在所述第二导电类型低浓度扩散区上;以及第二导电类型浮置扩散区,其形成在该晶体管的漏极区中。
根据本发明的再一优选实施例,提供一种CMOS图像传感器的制造方法,包括如下步骤:在半导体衬底上形成器件隔离膜,以在该半导体衬底中定义有源区和器件隔离区;在该有源区上形成栅绝缘膜和栅电极;在该有源区的光电二极管区上形成第二导电类型低浓度扩散区,其中所述第二导电类型低浓度扩散区与该器件隔离膜相间隔;在该栅电极的两侧表面上形成间隔件;在该栅电极的漏极区中形成第二导电类型浮置扩散区;以及在该光电二极管区中的所述第二导电类型低浓度扩散区上形成第一导电类型扩散区。上述第二导电类型低浓度扩散区的步骤包括以下步骤:通过利用掩模来选择性图案化第一光致抗蚀剂,以暴露除与该器件隔离膜相邻的光电二极管区部分之外的光电二极管区;以及将第二导电类型杂质离子注入到暴露的光电二极管区中。上述形成第一导电类型扩散区的步骤包括以下步骤:通过利用与第一光致抗蚀剂所用掩模相同的掩模来选择性图案化第二光致抗蚀剂,以暴露除与该器件隔离膜相邻的光电二极管区部分之外的光电二极管区,以及将第一导电类型杂质离子以高浓度注入到暴露的光电二极管区中。
附图说明
图1为根据现有技术的4T式CMOS图像传感器的等效电路;
图2示出根据现有技术的4T式CMOS图像传感器的布局;
图3A至图3C为示出根据现有技术的CMOS图像传感器的制造过程的剖视图;以及
图4A至图4C为示出根据本发明实施例的CMOS图像传感器的制造过程的剖视图。
具体实施方式
以下将参照附图说明根据本发明实施例的CMOS图像传感器及其制造方法。
图4A至图4C为示出根据本发明实施例的CMOS图像传感器的制造过程的剖视图。
参照图4A,通过外延工艺在第一导电类型的半导体衬底161上形成外延层162。外延层162可以为低浓度第一导电类型。
在半导体衬底161中定义有源区和器件隔离区。在一个实施例中,可以使用STI工艺在该器件隔离区中形成器件隔离膜163。在一个具体实施例中,器件隔离膜163可形成为0.4-0.5μm的深度。
以下说明器件隔离膜163的形成方法。
首先,可以在半导体衬底上顺序形成垫氧化物、垫氮化物和TEOS(原硅酸四乙酯)氧化物。然后,可以在TEOS氧化物上形成光致抗蚀剂。随后,利用定义有源区和器件隔离区的掩模对该光致抗蚀剂进行曝光和显影,从而将其图案化以去除器件隔离区中的光致抗蚀剂。
然后,利用被图案化的光致抗蚀剂作为掩模,选择性去除器件隔离区中的垫氧化物、垫氮化物和TEOS氧化物。
随后,利用被图案化的垫氧化物、垫氮化物和TEOS氧化物作为掩模,通过蚀刻器件隔离区中的半导体衬底,可以形成沟槽。
之后,可以用介电材料填充沟槽,从而在沟槽内形成器件隔离膜163。随后,可以去除垫氧化物层、垫氮化物和TEOS氧化物。
请再参照图4A,可以在外延层162的整个表面上沉积用于栅绝缘膜164的绝缘膜和导电层,其中外延层162中形成有器件隔离膜163。在实施例中,该导电层可为多晶硅层。
该绝缘膜可通过热氧化处理或CVD技术形成。
然后,可以选择性去除该导电层和该绝缘膜,以在半导体衬底161上形成栅电极165,其中栅绝缘膜164位于栅电极165和半导体衬底161之间。
参照图4B,可以在具有栅电极165和栅绝缘膜164的半导体衬底161的整个表面上涂布第一光致抗蚀剂,并可以通过曝光和显影处理选择性图案化所述第一光致抗蚀剂,以暴露光电二极管的一部分。在一个优选实施例中,不暴露与器件隔离膜163相邻的光电二极管区的部分。
然后,通过利用被图案化的第一光致抗蚀剂作为掩模将第二导电类型杂质离子以低密度注入到外延层162中,可以在被暴露的光电二极管区中形成第二导电类型的低浓度扩散区167。在一个实施例中,磷离子可以作为n型杂质离子用作第二导电类型杂质离子。在一个具体实施例中,磷离子可以1×1011-1×1013/cm2的剂量注入。
与图3B所示现有技术的第二导电类型低浓度扩散区67相比,本发明实施例的第二导电类型低浓度扩散区167可形成为具有较窄的宽度和较深的深度。换言之,在一个具体实施例中,第二导电类型低浓度扩散区167的宽度可为约0.8-1.0μm,深度可为约1.6-2μm。
在一个实施例中,为形成距光电二极管区表面的深度为1.6-2μm的扩散区167,可以3MkeV的注入能量注入第二导电类型杂质离子。在另一个实施例中,可在逐渐减少注入能量的情况下将第二导电类型杂质离子注入到衬底中。
由于第二导电类型低浓度扩散区167可以形成为具有如上所述的深度,因此也形成较深的耗尽区169。因此,可以提高与红或长波长相对应的光电二极管的光接收特性。
因而,由于器件隔离膜163与扩散区167之间存在着距离,所以器件隔离膜163与第二导电类型低浓度扩散区167不彼此直接相邻。因此,可以降低暗电流,并可以减少与相邻像素的串扰现象。
请再次参照图4B,在去除第一光致抗蚀剂之后,可在包括第二导电类型低浓度扩散区167的半导体衬底161的整个表面上形成绝缘膜。然后,通过进行该绝缘膜的回蚀处理,在栅电极165的两侧表面上可以形成间隔件168。
之后,可在半导体衬底161的整个表面上涂布第二光致抗蚀剂,并通过曝光和显影处理对其图案化,以覆盖光电二极管区并暴露源/漏极区。图4B示出源/漏极区的浮置扩散区。
通过利用被图案化的第二光致抗蚀剂作为掩模将第二导电类型杂质离子以高浓度注入到被暴露的源/漏极区中,可以形成第二导电类型浮置扩散区170。
参照图4C,在去除第二光致抗蚀剂之后,可在半导体衬底161的整个表面上涂布第三光致抗蚀剂,并通过曝光和显影处理对其图案化,以暴露光电二极管区的一部分。在一个实施例中,相同的掩模可用于第一光致抗蚀剂图案和第三光致抗蚀剂图案。通过利用被图案化的第三光致抗蚀剂作为掩模将第一导电类型杂质离子以高浓度注入到具有第二导电类型低浓度扩散区167的外延层162中,在第二导电类型低浓度扩散区167上可以形成第一导电类型高浓度扩散区172。
在去除第三光致抗蚀剂之后,通过在半导体衬底161上进行热处理可以使得杂质扩散区扩散。
之后,尽管在图中未示出随后的工艺,但是可以通过形成具有多互连层绝缘膜的金属布线、滤色层和微透镜完成图像传感器的制造。
根据本发明的实施例,存在如下优点:可以形成较深的低浓度扩散区,从而可以提高光电二极管中的红波长(即,长波长)的光接收特性。
此外,根据本发明的实施例,还存在如下优点:如果形成宽度较窄的低浓度扩散区,则低浓度扩散区不与器件隔离膜相邻,从而可以降低暗电流,并可以减少与相邻像素的串扰现象。
Claims (8)
1.一种CMOS图像传感器的制造方法,包括如下步骤:
在半导体衬底上形成器件隔离膜,以在该半导体衬底中定义有源区和器件隔离区;
在该有源区上形成栅绝缘膜和栅电极;
在该有源区的光电二极管区上形成第二导电类型低浓度扩散区,其中所述第二导电类型低浓度扩散区与该器件隔离膜相间隔;
在该栅电极的两侧表面上形成间隔件;
在该栅电极的漏极区中形成第二导电类型浮置扩散区;以及
在该光电二极管区中的所述第二导电类型低浓度扩散区上形成第一导电类型扩散区;
其中形成所述第二导电类型低浓度扩散区的步骤包括如下步骤:
通过利用掩模来选择性图案化第一光致抗蚀剂,以暴露除与该器件隔离膜相邻的光电二极管区部分之外的光电二极管区;以及将第二导电类型杂质离子注入到暴露的光电二极管区中;并且
其中形成所述第一导电类型扩散区的步骤包括如下步骤:
通过利用与第一光致抗蚀剂所用掩模相同的掩模来选择性图案化第三光致抗蚀剂,以暴露上述除与该器件隔离膜相邻的光电二极管区部分之外的所述光电二极管区;以及将第一导电类型杂质离子以高浓度注入到暴露的光电二极管区中。
2.如权利要求1所述的方法,还包括如下步骤:在该半导体衬底上形成第一导电类型低浓度外延层。
3.如权利要求1所述的方法,其中形成所述第二导电类型低浓度扩散区的步骤包括如下步骤:注入n型杂质离子。
4.如权利要求3所述的方法,其中该n型杂质离子为含磷的离子。
5.如权利要求3所述的方法,其中该n型杂质离子以1×1011-1×1013/cm2的剂量被注入。
6.如权利要求3的方法,其中注入该n型杂质离子的步骤包括:在逐渐减少注入能量的同时注入n型杂质离子。
7.如权利要求1所述的方法,其中所述第二导电类型低浓度扩散区被形成为距该光电二极管区的表面的深度为1.6μm-2μm。
8.如权利要求1所述的方法,其中所述第二导电类型低浓度扩散区具有0.8μm-1.0μm的宽度。
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