CN100345302C - 互补式金氧半导体影像传感器的结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种互补式金氧半导体影像传感器的制造方法，此方法是在衬底中形成隔离层，以将衬底区隔为光二极管感测区以及晶体管元件区。接着，在晶体管元件区形成栅极结构之后，再于栅极结构两侧的晶体管元件区中形成源/漏极区，且同时于光二极管感测区中形成掺杂区。然后，在光二极管感测区上形成自对准绝缘层，再于衬底上形成保护层。
Description
技术领域
本发明是有关于一种光二极管影像感测元件(Photodiode imagesensor device)的结构及其制造方法，且特别是有关于一种互补式金氧半导体影像传感器(CMOS Image Sensor，CIS)的结构及其制造方法。
背景技术
光二极管影像传感器是目前常见的一种影像感测元件。典型的光二极管影像传感器，至少包括一个重置晶体管(Reset transistor)以及一个二极管所形成的光感测区。以N型掺杂区、P型基体所形成的二极管作为感光区域为例，光二极管影像传感器在操作时在重置晶体管的栅极施加一电压，使重置晶体管开启后，对N/P二极管接面电容充电。当充电到一高电位之后，关掉重置晶体管，使N/P二极管产生逆偏而形成空乏区。当光照射在此N/P二极管感光区时，产生的电子空穴对会被空乏区的电场分开，使电子往N型掺杂区移动，而使N型掺杂区的电位降低，至于空穴则会往P型基体流走。
电荷耦合元件(Charge Coupled Device，CCD)具有高动态范围、低的暗电流(Dark current)，并且其技术发展成熟，因此为现今最常使用的影像传感器。然而，电荷耦合元件也具有工艺特殊而导致价格昂贵、驱动电路须以高电压操作使得功率消耗(Power dissipation)很高，并且无法随机存取(Random access)等问题点存在。
而互补式金氧半导体影像传感器具有高量子效率(Quantumefficiency)、低读出噪声(Read noise)、高动态范围(Dynamic range)及随机存取的特性，并且百分之百与互补式金氧半导体工艺兼容，因此能够很容易的在同一芯片上与其它控制电路、模拟数字电路(A/Dconverter)、和数字信号处理电路整合在一起，达成所谓的System Ona Chip(SOC)的目标。因此互补式金氧半导体影像传感器工艺技术的演进将能够大幅降低影像传感器的成本、像素尺寸、以及消耗功率。也因此近年来在低价位领域的应用上，互补式金氧半导体影像传感器已成为电荷耦合元件的代替品。
公知互补式金氧半导体影像传感器的制造方法略述如下：
请参照图1A，首先，在衬底100中形成场氧化层102，再于衬底100上形成重置晶体管120的栅极氧化层104以及多晶硅栅极106。接着，以场氧化层102以及多晶硅栅极106作为注入掩模，利用离子注入与热驱入工艺，在衬底100中形成源/漏极区108及光二极管感测区110的掺杂区112。然后，于多晶硅栅极106以与栅极氧化层104的侧壁形成间隙壁114。其后，在光二极管感测区110上形成一层自对准绝缘层(Self Align Block，SAB)116，以形成光二极管互补式金氧半影像感测元件。
然而，此种以公知制造方法所得到的互补式金氧半导体影像传感器存在着下述的问题：
在上述形成光二极管互补式金氧半影像感测元件后，尚须进行形成内层介电层、金属导线等后段工艺(Backend process)，以作为元件的控制之用，其中例如是接触窗/介层窗开口的定义、金属导线的定义等，无可避免的会使用到等离子体蚀刻法。此等离子体蚀刻法具有相当大的能量而会造成相当大的压降(Voltage drop)，对于光二极管感测区的表面会造成破坏，特别是此等离子体造成的破坏在场氧化层周围的鸟嘴区更形严重，因而使得光二极管感测区更容易产生漏电流的现象。上述漏电流的问题将会使得互补式金氧半导体影像传感器产生相当大的暗电流，导致读出噪声的增加。
发明目的
本发明的目的是提出一种互补式金氧半导体影像传感器的结构及其制造方法，能够在进行后段工艺之前，在互补式金氧半导体影像传感器上形成保护层，以防止等离子体的破坏。
本发明的的另一目的是提出一种互补式金氧半导体影像传感器的结构及其制造方法，能够使互补式金氧半导体影像传感器中暗电流的问题减至最低。
本发明提出一种互补式金氧半导体影像传感器的结构，包括光二极管感测区、晶体管元件区、晶体管、自对准绝缘层以及保护层。其中，光二极管感测区与晶体管元件区设置于衬底之中，且晶体管设置于晶体管元件区之上。自对准绝缘层设置于光二极管感测区之上，而保护层设置整个衬底之上并覆盖自对准绝缘层。
本发明提出一种制作上述互补式金氧半导体影像传感器的制造方法，其方法是在衬底上形成隔离层以区隔出光二极管感测区以及晶体管元件区。接着，于晶体管元件区上形成一栅极结构，再进行淡离子注入步骤，以在晶体管元件区形成淡漏极掺杂区以及在光二极管感测区形成淡掺杂区。然后，于栅极结构侧壁形成间隙壁，再进行浓离子注入步骤，以在晶体管元件区形成源/漏极区以及在光二极管感测区形成浓掺杂区。其后，在光二极管感测区形成一层自对准绝缘层之后，再于衬底上形成一层保护层以覆盖整个衬底，并且保护层与自对准绝缘层的材料间具有不同的折射率。
综上所述，本发明的重要特征由于在形成光二极管互补式金氧半影像感测元件之后，在整个衬底上覆盖一层保护层，通过保护层的作用，因此在进行后续的后段工艺时，能够避免在后段工艺中所使用的等离子体蚀刻法对光二极管感测区造成破坏，进而能够将暗电流的产生降到最小。
而且，此保护层形成于整个衬底上，除了主要必须保护的光二极管感测区之外，对于其它的区域也具有保护其不受等离子体蚀刻工艺破坏的效果。
并且，保护层与自对准绝缘层的材料之间具有不同的折射率。由于入射光进入光二极管感测区表面时，经由保护层、自对准绝缘层两种不同折射率材料的折射，并且光二极管感测区吸收此经由折射过的入射光所转换产生光电子的能力较佳，因此具有较高的量子效率。
附图说明
图1A为公知技术中，互补式金氧半导体影像传感器的剖面图；
图2A至图2E为本发明的较佳实施例中，互补式金氧半导体影像传感器的制造方法的流程剖面图；以及
图3为入射光进入本发明较佳实施例的互补式金氧半导体影像传感器的示意图。
100、200：衬底
102、202：隔离层
104、206a：栅极氧化层
106、208a：栅极
108、220：源/漏极区
110、240；光二极管感测区
112：掺杂区
114、216：间隙壁
116、224：自对准绝缘层
120、230：晶体管
204：通道阻绝区
206：绝缘层
208：导体层
210：淡离子注入步骤
212：淡掺杂漏极区
214：淡掺杂区
210：浓离子注入步骤
222：浓掺杂区
226：自对准金属硅化物层
228：保护层
250：晶体管元件区
300：入射光
具体实施方式
请参照图2E，本发明的互补式金氧半导体影像传感器，包括光二极管感测区240、晶体管元件区250、晶体管230、自对准绝缘层224以及保护层228。
上述光二极管感测区240、晶体管元件区250设置于衬底200中，且以隔离层202区隔开来，在隔离层202下方更形成有通道隔绝区204。
晶体管230例如是一重置晶体管或是一传送晶体管，其结构包括栅极氧化层206a、栅极导体层208a、间隙壁216、源/漏极区220。栅极氧化层206a与栅极导体层208a设置于晶体管元件区250上，且间隙壁216设置于栅极氧化层206a与栅极导体层208a的侧壁，而源/漏极区220设置于间隙壁216两侧的晶体管元件区250中。
栅极氧化层204a的材料例如为氧化硅，其形成的方法例如为热氧化法。栅极导体层206a其材料例如为多晶硅、多晶硅与金属硅化物所组成的多晶硅化金属以及金属所组成的族群其中之一。其形成的方法例如为化学气相沉积法或溅镀法。当栅极导体层208a为多晶硅，较佳的晶体管230其栅极导体层208a、源极/漏极区220上更包括金属硅化物层226，以降低其片电阻。金属硅化物226的材料包括耐热金属所形成的硅化物，例如为硅化钛或硅化钴，其形成的方法例如为自动对准金属硅化物(Salicide)工艺。
光二极管感测区240是由浓掺杂区222与衬底200所组成的。浓掺杂区222的掺杂型态与源/漏极区220相同、但与衬底200相异。当衬底200的掺杂型态为p型，浓掺杂区222的掺杂型态则为n型；若衬底200的掺杂型态为n型，浓掺杂区214的掺杂型态则为p型。依照互补式金氧半导体元件的工艺，光二极管感测区240也可以由浓掺杂区222与介于浓掺杂区222与衬底200之间的一掺杂阱(未图标)所组成者，因此，浓掺杂区222的掺杂型态也包括与衬底200的掺杂型态相同的。
自对准绝缘层224设置于光二极管感测区240上，其材料例如是以等离子体增强型化学气相沉积法所形成的氧化硅。
保护层228设置于整个衬底200上，且覆盖自对准绝缘层224以及晶体管230。保护层228的材料例如为氮化硅，其形成的方法例如是等离子体增强型化学气相沉积法。
上述的互补式金氧半导体影像传感器的制造方法如图2A至图2E所示。
首先，请参照图2A，在基体200上形成隔离层202以界定出光二极管感测区240以及晶体管元件区250，且于隔离层202的下方形成有通道阻绝区204，其中隔离层202例如是氧化硅材料的场氧化层，形成的方法例如是使用局部区域的热氧化法。然后，在衬底200上依序形成绝缘层206以及导体层208。其中绝缘层206的材料例如为氧化硅，形成的方法例如为热氧化法。导体层208的材料例如是选自多晶硅、多晶硅与金属硅化物所组成的多晶硅化金属以及金属所组成的族群其中之一，其形成的方法例如为化学气相沉积法或磁控直流溅镀法。
接着，请参照图2B，以微影与蚀刻步骤定义导体层208与绝缘层206，以于晶体管元件区250形成晶体管230的栅极导体层208a与栅极氧化层206a。然后，再以隔离层202以与栅极导体层208a为掩模，对衬底200进行一淡离子注入步骤210，以于栅极导体层208a以与栅极氧化层206a两侧的衬底200中形成淡掺杂漏极区212以及于光二极管感测区240形成浅掺杂区214。其中淡离子注入步骤210视衬底200为p型或n型，所注入的杂质例如为n型的磷或砷、或为p型的硼。
接着，请参照图2C，在栅极导体层208a以与栅极氧化层206a的侧壁形成间隙壁216。其中间隙壁216的材料例如为氧化硅，其形成的方法例如是以化学气相沉积法，先在衬底200上覆盖一层氧化硅层(未图标)，再以非等向性回蚀刻的方式于形成间隙壁216。然后，以隔离层202、栅极导体层208a以及间隙壁216为掩模，对衬底200进行一深离子注入步骤218，以于间隙壁214两侧的衬底200中形成源/漏极区220以及于光二极管感测区240形成浓掺杂区222。其中深离子注入步骤218视衬底200为p型或n型，所注入的杂质例如为n型的磷或砷、或为p型的硼。
接着，请参照图2D，在光二极管感测区240上形成自对准绝缘层224，其中自对准绝缘层224的材料例如是氧化硅，其形成的方法例如是以等离子体增强型化学气相沉积法，于衬底形成一层氧化硅层(未图标)，然后将预定形成自对准金属硅化物的区域，例如是晶体管元件区250的氧化硅层移除。其后，再于晶体管元件区250的栅极导体层208a以及源/漏极220上形成自对准硅化金属层226。
接着，请参照图2E，在衬底200上形成保护层228，其中保护层228的覆盖区域包括光二极管感测区240、晶体管元件区250以及未图标的周边逻辑电路区。保护层228的材料例如是氮化硅，形成的方法例如是以等离子体增强型化学气相沉积法，且通入硅甲烷与氨气以作为工艺气体所形成的。
由于在形成光二极管互补式金氧半影像感测元件之后，在整个衬底200上覆盖一层保护层228，因此能够避免进行后续的后段工艺所使用的等离子体蚀刻法对光二极管感测区240造成破坏。
而且，此保护层228形成于整个衬底200上，除了主要需要保护的光二极管感测区240之外，对于其它的区域也具有保护其不受等离子体蚀刻工艺破坏的效果。
接着，请参照图3，图3所示的仅为图2E中的光二极管感测区部份。其中保护层228的材料为氮化硅，且自对准绝缘层224的材料为氧化硅，两者之间具有不同的折射率。当入射光300经由保护层228、自对准绝缘层224射入光二极管感测区240表面时，由于经由两种不同折射率材料的折射，使得光二极管感测区240在接收入射光300并将其转换产生光电子的能力较佳，也就是具有较高的量子效率。
综上所述，本发明的重要特征由于在形成光二极管互补式金氧半影像感测元件之后覆盖一层保护层，通过保护层的作用，因此在进行后续的后段工艺时，能够避免在后段工艺中所使用的等离子体蚀刻法对光二极管感测区造成破坏，进而能够将暗电流的产生降到最小。
而且，此保护层形成于整个衬底上，除了主要必须保护的光二极管感测区之外，对于其它的区域也具有保护其不受等离子体蚀刻工艺破坏的效果。
并且，保护层与自对准绝缘层的材料之间具有不同的折射率。由于入射光进入光二极管感测区表面时，是经由保护层、自对准绝缘层两种不同折射率材料的折射，且光二极管感测区吸收此经由折射过的入射光之后，所转换产生光电子的能力较佳，因此具有较高的量子效率。
Claims (19)
1.一种互补式金氧半导体影像传感器的结构，其特征是，该传感器至少包括：
一衬底；
一光二极管感测区，设置于该衬底中；
一晶体管元件区，设置于该衬底中，且该光二极管感测区与该晶体管元件区以一隔离层区隔；
一晶体管，设置于该晶体管元件区上，该晶体管包括一栅极氧化层、一栅极导体层、一间隙壁与一源/漏极区；
一自对准绝缘层，设置于该光二极管感测区上；以及
一保护层，设置于该衬底上，且至少覆盖该光二极管感测区以及该晶体管元件区。
2.如权利要求1所述的互补式金氧半导体影像传感器的结构，其特征是，该保护层的材料包括防止等离子体蚀刻侵蚀的材料。
3.如权利要求1所述的互补式金氧半导体影像传感器的结构，其特征是，该保护层的材料包括氮化硅。
4.如权利要求1所述的互补式金氧半导体影像传感器的结构，其特征是，该自对准绝缘层的材料包括氧化硅。
5.如权利要求1所述的互补式金氧半导体影像传感器的结构，其特征是，该光二极管感测区包括一掺杂区，且该掺杂区的掺杂型态与该源/漏极区相同。
6.如权利要求1所述的互补式金氧半导体影像传感器的结构，更包括一金属硅化物层覆盖于该栅极导体层与该源极/漏极区上。
7.如权利要求1所述的互补式金氧半导体影像传感器的结构，其特征是，该衬底具有p型掺杂，该光二极管感测区包括一n型掺杂区。
8.如权利要求1所述的互补式金氧半导体影像传感器的结构，其特征是，该衬底具有n型掺杂，该光二极管感测区包括一p型掺杂区。
9.一种互补式金氧半导体影像传感器的制造方法，其特征是，该方法包括下列步骤：
提供一衬底；
在该衬底中形成多个隔离层，且该些隔离层将该衬底区隔为一光二极管感测区以及一晶体管元件区；
在该衬底上形成一栅极氧化层、一栅极导体层；
定义该栅极导体层以及该栅极氧化层，以于该晶体管元件区形成一栅极结构；
在该栅极结构两侧的该晶体管元件区中形成一源/漏极区，且同时在该光二极管感测区中形成一掺杂区；
在该光二极管感测区上形成一自对准绝缘层；以及
在该衬底上形成一保护层，且该保护层至少覆盖于该光二极管感测区以及该晶体管元件区之上。
10.如权利要求9所述的互补式金氧半导体影像传感器的制造方法，其特征是，该保护层的材料包括防止等离子体蚀刻侵蚀的材料。
11.如权利要求9所述的互补式金氧半导体影像传感器的制造方法，其特征是，该保护层的材料包括氮化硅。
12.如权利要求11所述的互补式金氧半导体影像传感器的制造方法，其特征是，形成该保护层的方法包括一等离子体增强型化学气相沉积法。
13.如权利要求12所述的互补式金氧半导体影像传感器的制造方法，其特征是，该等离子体增强型化学气相沉积法所使用的反应气体源包括硅甲烷与氨气。
14.如权利要求9所述的互补式金氧半导体影像传感器的制造方法，其特征是，该自对准绝缘层的材料包括氧化硅。
15.如权利要求9所述的互补式金氧半导体影像传感器的制造方法，其特征是，形成该自对准绝缘层的方法包括等离子体增强型化学气相沉积法。
16.如权利要求9所述的互补式金氧半导体影像传感器的制造方法，其特征是，更包括在该些隔离层下形成一通道阻绝区。
17.如权利要求9所述的互补式金氧半导体影像传感器的制造方法，其特征是，更包括进行一自对准金属硅化工艺，以在该栅极导体层与该源/漏极区形成一金属硅化物。
18.如权利要求9所述的互补式金氧半导体影像传感器的制造方法，其特征是，该衬底具有p型掺杂，且形成该源/漏极区以及该掺杂区所注入的离子包括n型掺杂。
19.如权利要求9所述的互补式金氧半导体影像传感器的制造方法，其特征是，该衬底具有n型掺杂，且形成该源/漏极区以及该掺杂区所注入的离子包括p型掺杂。
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