CN100452352C - Cmos图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
公开了一种CMOS图像传感器及其制造方法。本方法包括步骤：在半导体基片上形成隔离层，限定包括光电二极管区和晶体管区的有源区；在所述晶体管区中形成栅，所述栅包括栅电极和插入在所述栅电极和所述基片之间的栅绝缘层；在所述光电二极管区中形成第一低浓度扩散区；在所述晶体管区中形成第二低浓度扩散区；在所述基片的整个表面之上形成缓冲层，所述缓冲层被选择性地移除以覆盖所述光电二极管区；在所述基片的整个表面之上形成第一和第二绝缘层，所述第一和第二绝缘层具有彼此不同的蚀刻选择性；通过所述第二绝缘层的选择性移除在所述栅电极的两侧上形成绝缘侧壁；选择性地移除所述光电二极管区之外的其他区上的所述第一绝缘层；在被暴露的晶体管区中形成高浓度扩散区，部分地重叠所述第二低浓度扩散区；以及在形成所述高浓度扩散区的基片的表面上形成金属硅化物层。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体器件及其制造方法。更具体地，本发明涉及一种互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器及其制造方法。
背景技术
作为一种半导体器件的图像传感器将光学图像变换成电信号，其一般可分类成电荷耦合器件(CCD)和CMOS图像传感器。
传统地，CCD包括：设置成矩阵形式的多个光电二极管，用于将光学信号变换成电信号；形成在光电二极管之间的多个竖直的电荷耦合器件(VCCD)，用于在竖直方向上发射在每个光电二极管中产生的电荷；多个水平电荷耦合器件(HCCD)，用于在水平方向上发射从每个VCCD发射的电荷；以及感测放大器，用于感测在水平方向上发射的电荷以输出电信号。
CCD具有复杂的操作机制和高功率消耗是公知的。另外，其制造方法是很复杂的，因为在其制造中要求多个步骤的光刻法(photolithography)过程。尤其是难以将CCD与其他器件如控制电路、信号处理电路、模拟/数字转换器等集成到单个芯片中。CCD的这些缺点可能阻碍包含CCD的产品的小型化。
为了克服CCD的上述缺点，最近在新生代图像传感器中开发了CMOS图像传感器。
同时，根据单位像素中晶体管的数目，CMOS图像传感器可以分类成3T、4T、5T型等。3T型CMOS图像传感器包括一个光电二极管和三个晶体管，且4T型包括一个光电二极管和四个晶体管。这里，3T型CMOS图像传感器的单位像素布局配置如下。
图1示出一布局，图示了传统3T型CMOS图像传感器中的单位像素。
如图1中所示，一个光电二极管20形成在被限定的有源区10的一大部分中，并且三个晶体管120、130和140分别形成为重叠在有源区10的其他部分中。
晶体管120构成重置晶体管，并且晶体管130构成驱动器晶体管，并且晶体管140构成选择晶体管。
这里，掺杂剂离子被植入除了有源区10的在晶体管120、130和140的每个栅电极之下的部分之外的、形成每个晶体管的有源区10中，以形成每个晶体管的源和漏区。
供给电压(VDD)施加到重置晶体管和驱动器晶体管之间的源/漏区，并且形成在选择晶体管的一侧的源/漏区连接到检测电路(未示出)。
晶体管120、130和140分别连接到信号线，尽管它们在图1中没有图示。另外，信号线通过分别形成在其一端的附加垫而分别连接到外部驱动电路。
图2示出横截面视图，图示了从图1中的A-A′线观察的传统CMOS图像传感器的光电二极管和重置晶体管。
参见图2，P-型外延层101形成在P++型半导体基片100上。另外，包括外延层101的半导体基片100由有源区10所限定，有源区10包括如图1所示的光电二极管区PD和形成隔离层102的隔离区。
如图2中所示，用于重置晶体管120的栅电极104形成在外延层101上，其间插入栅绝缘层103。一对氮化物侧壁110a形成在栅电极104的两侧上。
另外，N-型扩散区106形成在外延层101的光电二极管区PD中。用于轻掺杂的漏(LDD)结构的N-扩散区108和用于源/漏扩散区的N+扩散区112形成在外延层101的晶体管区中。
TEOS(原硅酸四乙酯)氧化物109形成在覆盖栅电极104的半导体基片100的整个表面之上，并且金属硅化物层115形成在源/漏扩散区112的表面上。
此外，用作扩散和蚀刻阻挡物的氮化物层116和层间(interlevel)电介质层117以连续顺序形成在半导体基片100的整个表面之上。
图3a到3i是横截面视图，图示了用于制造CMOS图像传感器的传统方法。
参见图3a，P-型外延层101形成在如具有高浓度和第一电导率型(即P++型)的单晶硅的半导体基片100上。
这里，外延层101用于在光电二极管区中形成深且宽的耗尽区。从而可以改善低压光电二极管的用于收集光电子的能力，并且也可以改善光敏感度。
另外，半导体基片100由有源区和隔离区所限定，并且通过浅沟槽隔离(STI)过程或局部硅氧化(LOCOS)过程形成隔离层102。
接着，栅绝缘层103和导电层以连续顺序沉积在包括隔离层102的外延层101的整个表面上，并且使用光刻法和蚀刻过程将它们选择性地图案化，从而形成栅电极104。
第一光致抗蚀剂层被施加在包括栅电极104的基片100的整个表面之上，并且然后使用曝光和显影过程将其图案化，从而形成暴露光电二极管区的第一光致抗蚀剂图案105。
然后，使用第一光致抗蚀剂图案105作为掩模，通过低浓度的N型掺杂剂离子的离子植入，N-扩散区106形成在被暴露的光电二极管区中。
如图3b中所示，在移除第一光致抗蚀剂图案105之后，第二光致抗蚀剂层施加在基片100的整个表面之上，并且然后使用曝光和显影过程将其图案化，从而形成暴露晶体管区的第二光致抗蚀剂图案107。
然后，使用第二光致抗蚀剂图案107作为掩模，低浓度的N型掺杂剂离子的离子被植入被暴露的晶体管区中以形成N-型扩散区108。这里，使用较高的植入能量，光电二极管区的N-型扩散区106优选地以大于晶体管区的N-型扩散区108的扩散深度的扩散深度来形成。
如图3c中所示，在移除第二光致抗蚀剂图案107之后，TEOS氧化物层109以大约
的厚度形成在基片100的整个表面之上，并且然后氮化物层110形成在TEOS氧化物层109上。
连续地，在氮化物层110上执行回蚀刻过程以在栅电极104的两侧上形成氮化物侧壁110a，如图3d中所示。
如图3e中所示，第三光致抗蚀剂层形成在基片100的整个表面之上，并且然后通过曝光和显影过程将其图案化，从而形成覆盖光电二极管区和隔离层102的第三光致抗蚀剂图案111。
连续地，使用第三光致抗蚀剂图案111作为掩模，高浓度的N型掺杂剂离子植入源/漏区以形成N+型扩散区112。
如图3f中所示，在移除第三光致抗蚀剂图案111之后，执行热处理过程(例如800℃之上的温度下的快速热过程)以激活N-型扩散区106、N-型扩散区108和N+型扩散区112中的掺杂剂离子。
接着，硅化物阻挡层113形成在半导体基片100的整个表面之上。
如图3g中所示，第四光致抗蚀剂层被施加在硅化物阻挡层113上，并且通过曝光和显影过程将其图案化，从而形成第四光致抗蚀剂图案114，其暴露将形成硅化物的区。
使用第四光致抗蚀剂图案114作为掩模，被暴露的硅化物阻挡层113和TEOS氧化物层109被选择性地移除，以暴露形成N+扩散区112的基片的一部分。
如图3h中所示，在移除第四光致抗蚀剂图案114之后，具有高熔点的金属层被沉积和热处理以在晶体管区中的基片的被暴露的表而上形成金属硅化物层115。
随后，移除不与硅材料反应的剩余金属材料，并移除硅化物阻挡层113。
如图3i中所示，在随后过程中用作扩散和蚀刻阻挡物的氮化物层116沉积在基片100的整个表面之上，并且层间电介质层117形成在氮化物层116上。
之后，功率线、滤色器阵列和微透镜形成在层间电介质层117之上以完成CMOS图像传感器，尽管没有在图中示出。
CMOS图像传感器的传统制造方法通常采用0.35～0.18微米技术。此外，已经为半导体器件的更高集成而集中开发了亚0.18微米技术。通常，亚0.25微米技术具有硅化过程所导致的热衡算(thermal budget)。更特别地，由于在形成硅化物层之后很少允许大约800℃之上的热处理，难以移除导致暗电流的杂质。
同时，在上述传统方法中，用于轻掺杂的漏结构和光电二极管的热处理和用于源/漏扩散区的热处理也可以在800℃之上的高温执行，从而使得能够恢复晶格被损坏的基片并且激活被植入的掺杂剂离子。但是，层间电介质层117需要在700℃之下的温度热处理，以防止金属硅化物层115的变形并形成浅结。层间电介质层117典型地使用BPSG(硼磷硅酸盐玻璃)材料形成并且具有对杂质的收集效应。层间电介质层117的收集效应在相对高的温度处变得强大。但是，由于上面所解释的原因，存在对提高BPSG材料的层间电介质层的加热温度的限制。
另外，在形成层间电介质层117之前形成氮化物层的扩散阻挡物116。但是，由于光电二极管区根据CMOS图像传感器的按比例缩小(scale-down)而减小，氮化物层116导致CMOS图像传感器的动态范围和光敏感度减小。因此，CMOS图像传感器的性能、如再现性变得恶化。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种CMOS图像传感器及其制造方法，其中收集层在高温度的热处理期间有效地吸收杂质，从而使得暗电流能够减小。
为了实现上面的目的，根据本发明的用于制造CMOS图像传感器的方法的一实施例包括步骤：在半导体基片上形成隔离层，限定包括光电二极管区和晶体管区的有源区；在晶体管区中形成栅，该栅包括栅电极和插入在该栅电极和基片之间栅绝缘层；在光电二极管区中形成第一低浓度扩散区；在晶体管区中形成第二低浓度扩散区；在基片的整个表面之上形成缓冲层，缓冲层被选择性地移除以覆盖光电二极管区；在基片的整个表面之上形成第一和第二绝缘层，第一和第二绝缘层具有彼此不同的蚀刻选择性；通过第二绝缘层的选择性移除在栅电极的两侧上形成绝缘侧壁；选择性地移除光电二极管区之外的其他区上的第一绝缘层；在被暴露的晶体管区中形成高浓度扩散区，部分地重叠第二低浓度扩散区；以及在形成高浓度扩散区的基片的表面上形成金属硅化物层。
另外，根据本发明的CMOS图像传感器包括：半导体基片上的隔离层，限定包括光电二极管区和晶体管区的有源区；晶体管区上的栅，包括栅电极和栅绝缘层；基片的光电二极管区中的第一低浓度扩散区；基片的晶体管区中的彼此部分重叠的第二低浓度扩散区和高浓度扩散区；覆盖光电二极管区的缓冲层，栅电极的两侧上的绝缘侧壁；以及金属硅化物，选择性地形成在形成高浓度扩散区的基片的表面上。这里，缓冲层可以形成为从光电二极管区延伸到栅的顶部分。
通过参考经常参照附图的本发明的下面的描述，本发明的这些和其他方面将变得明显。
附图说明
图1是一布局，图示了传统3T型CMOS图像传感器中的单位像素。
图2是横截面视图，图示了从图1中的A-A′线观察的传统CMOS图像传感器的光电二极管和重置晶体管。
图3a到3i是横截面视图，图示了用于制造CMOS图像传感器的传统方法。
图4a到4j是横截面视图，图示了用于根据本发明制造CMOS图像传感器的方法的优选实施例。
具体实施方式
下文中将参照附图描述根据本发明制造CMOS图像传感器的方法的优选实施例。
图4a到4j是横截面视图，图示了用于根据本发明制造CMOS图像传感器的方法的优选实施例。
参照图4a，具有低浓度和第一电导率型(即P+型)的外延层201形成在如具有高浓度和第一电导率型(即P++型)的单晶硅的半导体基片200上。
这里，外延层201用于在光电二极管中形成深且宽的耗尽区。从而可以改善低压光电二极管的用于收集光电子的能力，并且也可以改善光敏感度。
另外，半导体基片200被限定到包括光电二极管区和晶体管区的有源区中和隔离区中。隔离层202通过浅沟槽隔离(STI)过程或局部硅氧化(LOCOS)过程形成在隔离区中。
接着，栅绝缘层203和导电层(例如高掺杂的多晶硅层)以连续顺序沉积在包括隔离层202的外延层201的整个表面上，并且使用光刻法和蚀刻过程将它们选择性地图案化，从而形成栅电极204。
这里，栅绝缘层203可以使用热氧化过程或化学气相沉积过程形成，并且硅化物层可以形成在栅电极上。
而且，可以执行附加的热氧化过程以分别在栅电极204和半导体基片200的表面上形成热氧化物层(未示出)。
尤其是，考虑形成在其外围表面上的热氧化物层的厚度，栅电极204的宽度可以宽于传统栅电极的宽度形成。
第一光致抗蚀剂层被施加在包括栅电极204的基片200的整个表面之上，并且然后使用曝光和显影过程将其图案化，从而形成暴露光电二极管区的第一光致抗蚀剂图案205。
然后，使用第一光致抗蚀剂图案205作为掩模，通过低浓度的第二电导率型掺杂剂离子(即N型掺杂剂离子)的离子植入，在被暴露的光电二极管区中形成N-扩散区206。
如图4b中所示，在移除第一光致抗蚀剂图案205之后，第二光致抗蚀剂层施加在基片200的整个表面之上，并且然后使用曝光和显影过程将其图案化，从而形成暴露晶体管区的第二光致抗蚀剂图案207。
然后，使用第二光致抗蚀剂图案207作为掩模，低浓度的N型掺杂剂离子被植入被暴露的晶体管区中以形成用于轻掺杂的漏结构的N-型扩散区208。这里，使用较高的植入能量，光电二极管区的N-型扩散区206优选地以大于晶体管区的N-型扩散区208的扩散深度的扩散深度来形成。
如图4c中所示，在移除第二光致抗蚀剂图案207之后，缓冲层209通过使用O3-TEOS或BPSG材料的低压化学气相沉积过程而形成在基片200的整个表面上。
考虑用于将在随后过程中形成的用于扩散阻挡氮化物层的过蚀刻裕度，缓冲层209优选地以
的厚度形成。
另外，在随后的第二氮化物侧壁的形成期间，缓冲层209用作对基片损坏的阻挡物，并且用作杂质的收集层。即，缓冲层209可以吸收随后的热处理过程期间产生的杂质，从而使得能够显著地减小杂质对基片的影响。结果，可以有效地减小或防止CMOS图像传感器的暗电流。
如图4d中所示，第三光致抗蚀剂层被施加在缓冲层209上，并且然后其被选择性地图案化以形成仅剩余在光电二极管区中的第三光致抗蚀剂图案210。
接着，使用第三光致抗蚀剂图案210作为掩模，选择性地移除缓冲层209。
这里，用于缓冲层209的蚀刻气体可以采用硅烷气(SiH4)。
如图4e中所示，在移除第三光致抗蚀剂图案210之后，使用化学气相沉积(CVD)过程(尤其是低压CVD过程)，第一绝缘层211和第二绝缘层212以连续顺序形成在基片200的整个表面之上，其中第一和第二绝缘层211和212具有彼此不同的蚀刻选择性。
这里，第一绝缘层211优选地是厚度大约
的氧化物层，并且第二绝缘层212优选地是氮化物层。
而且，第一绝缘氧化物层可以包括热氧化层或基于TEOS的氧化物。
如图4f中所示，利用第一和第二绝缘层211和212具有彼此不同的蚀刻选择性而在第二绝缘层212上执行回蚀刻过程，从而在栅电极204的两侧上形成第二绝缘侧壁212a。
在此情形中，第二绝缘层212之下的第一绝缘层211保持未被蚀刻。
如图4g中所示，第四光致抗蚀剂层形成在基片200的整个表面之上，并且然后通过曝光和显影过程将其图案化，从而形成覆盖光电二极管区和隔离层202的第四光致抗蚀剂图案213。
连续地，使用第四光致抗蚀剂图案213作为掩模，选择性地移除第一绝缘层211的被暴露部分。
接着，高浓度的N型掺杂剂离子被植入基片200的晶体管区中以形成N+型扩散区214。
如图4h中所示，在移除第四光致抗蚀剂图案213之后，在800℃～1200℃的温度下执行热处理过程(例如快速热过程)以激活第一N-型扩散区206、第二N-型扩散区208和N+型扩散区214中的掺杂剂离子。在此过程中，缓冲层209可以用作杂质的收集层。
尤其是，热处理可以以下面两个步骤执行：一个是在形成第一N-型扩散区206和第二N-型扩散区208之后的第一热处理，且另一个是在形成N+型扩散区之后的第二热处理。
这里，在形成第一N-型扩散区206和第二N-型扩散区208之后的第一热处理中，如图4d中所示，通过移除缓冲层209，热氧化层(未示出)优选地以
的厚度形成在栅电极204的被暴露部分上。
连续地，具有高熔点的金属层被沉积和热处理以在晶体管区中的基片的被暴露的表面上形成金属硅化物层215。
如图4i中所示，在随后过程中用作扩散和蚀刻阻挡物的氮化物层216沉积在基片200的整个表面之上。然后，第五光致抗蚀剂层被施加在氮化物层216上，并且通过曝光和显影过程将其图案化，以形成暴露光电二极管区的第五光致抗蚀剂图案217。
随后，使用第五光致抗蚀剂图案217作为掩模，光电二极管区上的氮化物层216被选择性地移除。
如图4j中所示，在移除第五光致抗蚀剂图案217之后，层间电介质层218形成在基片200的整个表面之上。
这里，可以使用基于硅烷的材料形成层间电介质层218，其大量的氢离子可恢复基片200的悬空键(dangling bond)，从而导致有效地减小暗电流。
用于根据本发明制造CMOS图像传感器的上述方法具有如下优点。
首先，收集层使得能够在高温度的热处理期间有效地减少杂质，从而导致暗电流的减小。
第二，缓冲层可以防止在绝缘侧壁的形成期间可能发生的对基片的损坏，从而导致减小暗电流。
第三，在用于形成LDD结构和光电二极管的800℃～1200℃的温度下的热处理过程中，可以通过缓冲层的选择性移除而在栅电极的被暴露的表面上形成附加的热氧化层。附加的热氧化层可以恢复栅电极的损坏，从而使得能够改善器件的可靠性。因而，本发明可以减小暗电流并且改善CMOS图像传感器的再现性和分辨率。
尽管已经参考本发明的某些优选实施例示出和描述了本发明，本领域技术人员应当理解，可以在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下在其中进行形式和细节上的各种改变。
Claims (19)
1.一种用于制造CMOS图像传感器的方法，包括步骤：
在半导体基片上形成隔离层，限定包括光电二极管区和晶体管区的有源区；
在所述晶体管区中形成栅，所述栅包括栅电极和插入在所述栅电极和所述基片之间的栅绝缘层；
在所述光电二极管区中形成第一低浓度扩散区；
在所述晶体管区中形成第二低浓度扩散区；
在所述基片的整个表面之上形成缓冲层，所述缓冲层被选择性地移除以覆盖所述光电二极管区；
在所述基片的整个表面之上形成第一和第二绝缘层，所述第一和第二绝缘层具有彼此不同的蚀刻选择性；
通过所述第二绝缘层的选择性移除在所述栅电极的两侧上形成绝缘侧壁；
选择性地移除所述光电二极管区之外的其他区上的所述第一绝缘层；
在被暴露的晶体管区中形成高浓度扩散区，部分地重叠所述第二低浓度扩散区；以及
在形成所述高浓度扩散区的基片的表面上形成金属硅化物层。
2.如权利要求1的方法，其中所述第一绝缘层由氧化物形成。
3.如权利要求1的方法，其中所述第二绝缘层由氮化物形成。
4.如权利要求2的方法，其中所述第一绝缘层是热氧化层或基于原硅酸四乙酯的氧化物层。
5.如权利要求1的方法，其中所述缓冲层使用O3-原硅酸四乙酯或硼磷硅酸盐玻璃形成。
6.如权利要求1的方法，其中所述缓冲层以
的厚度形成。
7.如权利要求1的方法，其中所述缓冲层的选择性移除利用硅烷气。
8.如权利要求1的方法，进一步包括在形成所述第一和第二低浓度扩散区之后第一热处理所述基片的步骤。
9.如权利要求1的方法，进一步包括在形成所述高浓度扩散区之后第二热处理所述基片的步骤。
10.如权利要求8或9的方法，其中所述第一和第二热处理在800℃～1200℃的温度下执行。
11.如权利要求1的方法，进一步包括步骤：
在形成所述金属硅化物层之后，在所述基片的整个表面之上形成扩散和蚀刻阻挡物；以及
选择性移除所述光电二极管区之上的所述扩散和蚀刻阻挡物。
12.如权利要求11的方法，进一步包括在包括剩余的扩散和蚀刻阻挡物的所述基片的整个表面之上形成层间电介质层的步骤。
13.如权利要求11的方法，其中所述扩散和蚀刻阻挡物由氮化物层形成。
14.如权利要求12的方法，其中所述层间电介质层由基于硅烷的绝缘材料形成。
15.一种CMOS图像传感器，包括：
半导体基片上的隔离层，限定包括光电二极管区和晶体管区的有源区；
所述晶体管区上的栅，包括栅电极和栅绝缘层；
所述基片的所述光电二极管区中的第一低浓度扩散区；
所述基片的所述晶体管区中的第二低浓度扩散区和高浓度扩散区，彼此部分重叠；
缓冲层，覆盖所述光电二极管区，
所述栅电极的两侧上的绝缘侧壁；
金属硅化物，选择性地形成在形成所述高浓度扩散区的所述基片的表面上；
形成在所述基片的整个表面之上的扩散和蚀刻阻挡物，暴露所述光电二极管区中的缓冲层的一部分；以及
形成在包括所述扩散和蚀刻阻挡物的所述基片的整个表面上的层间电介质层。
16.如权利要求15的CMOS图像传感器，其中所述缓冲层从所述光电二极管区延伸到所述栅的顶部分。
17.如权利要求15的CMOS图像传感器，其中所述缓冲层使用O3-原硅酸四乙酯或硼磷硅酸盐玻璃材料形成。
18.如权利要求15的CMOS图像传感器，其中所述扩散和蚀刻阻挡物由氮化物层形成。
19.如权利要求15的CMOS图像传感器，其中所述层间电介质层由基于硅烷的绝缘材料形成。
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