CN100461370C - 制造cmos图像传感器的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明披露了一种制造CMOS图像传感器的方法，其通过在形成源极区和漏极区的离子注入过程中，防止杂质离子被注入栅电极的下侧，来减小关态电流，所述方法包括：在包括光电二极管区和晶体管区的第一导电型半导体衬底的晶体管区上形成栅电极；在光电二极管区和晶体管区中的栅电极两侧分别形成轻掺杂的第二导电型扩散区；在包括栅电极的半导体衬底的整个表面上形成屏蔽层；形成光刻胶图案以覆盖光电二极管区和栅电极；使用光刻胶图案作为掩模，通过将高密度的第二导电型杂质离子注入半导体衬底的整个表面，形成高掺杂的第二导电型扩散区；以及去除光刻胶图案和氧化物层。
Description
相关申请的交叉参考
本申请要求2004年11月19日提交的韩国专利申请第P2004-94975号的利益，其全部内容作为参考结合于此。
技术领域
本发明涉及CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器，更具体地，本发明涉及一种用于制造CMOS图像传感器的方法，其通过减小晶体管的关态电流(off-current)，改善图像特性。
背景技术
CMOS图像传感器是一种采用使用控制电路、信号处理电路等作为外围电路的CMOS技术，并在半导体衬底上形成对应于单位像素数量的MOS晶体管，以使用转换方法检测各个像素的电信号。即，CMOS图像传感器的每个像素均包括光电二极管和MOS晶体管。因此，在转换方法中，电信号从各个像素顺序输出，以显示图像。
由于CMOS图像传感器使用CMOS制造技术，CMOS图像传感器具有低功耗的优点，并具有通过更少照相处理步骤制造方法简单的优点。在CMOS图像传感器中，控制电路、信号处理电路、A/D转换器电路等能够被集成在CMOS图像传感器芯片中，从而使产品能够以紧凑的尺寸制造。因此，CMOS图像传感器目前广泛应用在诸如数字照相机和数字摄像机的多种实用技术中。
同时，根据晶体管的数量，将CMOS图像传感器分为3T-型、4T-型、和5T-型，其中3T-型CMOS图像传感器包括一个光电二极管和三个晶体管，而4T-型CMOS图像传感器包括一个光电二极管和四个晶体管。
在下文中，根据相关技术的3T-型CMOS图像传感器的等效电路和布局图将描述如下。
图1是根据相关技术的3T-型CMOS图像传感器的等效电路图。图2是根据相关技术的3T-型CMOS图像传感器中的一个像素的布局图。
如图1所示，根据相关技术的3T-型CMOS图像传感器的一个单位像素包括一个光电二极管PD和三个nMOS晶体管T1、T2和T3。
光电二极管PD的阴极与第一nMOS晶体管T1的漏极和第二nMOS晶体管T2的栅极连接。
此外，第一和第二nMOS晶体管T1和T2的源极与用于接收参考电压VR的电源线连接。第一nMOS晶体管T1的栅极与用于接收复位信号RST的复位线连接。
第三nMOS晶体管T3的源极与第二nMOS晶体管的漏极连接，第三nMOS晶体管T3的漏极经信号线与读取电路(未示出)连接。此外，第三nMOS晶体管T3的栅极与用于接收选择信号SLCT的选择线连接。
此时，第一nMOS晶体管T1作为用于使光电二极管PD中收集的光学电荷复位的复位晶体管Rx。而且，第二nMOS晶体管T2是用作源跟随器缓存放大器的驱动晶体管Dx。第三nMOS晶体管T3是能够通过转换来寻址信号的选择晶体管Sx。
同时，包括光电二极管PD的复位晶体管Rx的预定部分对应于非自对准金属硅化物区(non-salicide area)，复位晶体管Rx的其余部分对应于自对准金属硅化物区(salicide area)。
如图2所示，在3T-型CMOS图像传感器的单位像素中，限定有源区10。因此，一个光电二极管20形成在有源区10的大尺寸部分中。此外，三个晶体管的各个栅电极30、40和50由有源区10的其余部分覆盖。
更确切地说，复位晶体管Rx由栅电极30形成，驱动晶体管Dx由栅电极40形成，而选择晶体管Sx由栅电极50形成。在这种情况下，杂质离子被注入除栅电极30、40和50下面部分之外的各个晶体管的有源区10，从而形成各个晶体管中的源极区和漏极区。
因此，电压Vdd被施加到在复位晶体管Rx和驱动晶体管Dx之间的源极区和漏极区。此外，设置在选择晶体管Sx一侧的源极区和漏极区与读取电路连接(未示出)。
虽然未示出，各个栅电极30、40和50均与信号线连接。信号线的每一端均具有与外部驱动电路连接的焊盘(pad)。
图3是沿图2的直线A-A′的横截面视图，示出了当根据相关技术制造CMOS图像传感器时，在晶体管的源极区和漏极区中形成高掺杂的n+型扩散区的方法。
如图3所示，为了覆盖装置绝缘层63、光电二极管的轻掺杂的n-型扩散区69、栅电极65、并使晶体管的源极区和漏极区暴露，在使用图案化的光刻胶71作为掩模的状态下，高掺杂的n+型杂质离子被注入源极和漏极区的暴露部分，从而形成高掺杂的n′型扩散区72。在图3中，未说明的参考标号62代表在高掺杂的P++型半导体衬底61中形成的轻掺杂的p-型外延层；未说明的参考标号64代表栅极绝缘层，未说明的参考标号67代表在每个源极和漏极区中形成的轻掺杂的n-型扩散区。
然而，根据相关技术制造CMOS图像传感器的方法具有如下缺点。
在普通CMOS图像传感器中，单位像素的三个晶体管是用于传送光电二极管的信号的电路。如果关态电流很大，可以导致传感图像中的缺陷。
当形成n+型源极和漏极区时，杂质离子可以被注入栅电极的下侧，从而可以产生关态电流。
更确切地说，栅电极由多晶硅形成。在多晶硅的晶体结构中，原子规则地排列成三维结构。当将杂质离子向预定方向注入时，会产生沟道效应。因此，杂质离子可以被注入晶体管的沟道下侧。更确切地说，由于不期望的离子注入，沟道门限电压VT会降低，从而关态电流会增加。
特别地，由于沟道效应会随意产生，可能导致在整个像素阵中需要晶体管具有Vt、Idsat和Ioff的均匀特性的图像传感器的严重问题。
发明内容
因此，本发明提出了一种用于制造CMOS图像传感器的方法，其基本上消除了由于相关技术的限制和缺点导致的一个或多个问题。
本发明的一个目标在于提供一种制造CMOS图像传感器的方法，其通过防止在形成源极和漏极区的离子注入过程中杂质离子被注入栅电极的下侧，可减小关态电流。
本发明的另一个目标在于提供一种制造CMOS图像传感器的方法，其中，当将杂质离子注入源极和漏极区时，在包括栅电极的硅衬底表面上形成的非晶体层(amorphous layer)被用作屏蔽层，以最小化沟道效应并减小关态电流。
本发明的另一个目标在于提供一种用于制造CMOS图像传感器的方法，其中，当将杂质离子注入源极和漏极区时，在包括栅电极的硅衬底表面上形成的基于TEOS的氧化物层被用作屏蔽氧化物，可以减小关态电流，并防止甚至在低温时设备特性的变化。
本发明的其它方面、目标和特性将在下面描述，部分在随后检验时对于本领域技术人员将变得明显，或通过实现本发明而了解。通过在说明书和权利要求以及附图中特别指出的结构，可以实现和获得本发明的目标和其它优点。
为实现这些目标和其它优点，根据本发明的目的，在此举例和概括描述了一种用于制造CMOS图像传感器的方法，包括：在包括光电二极管区和晶体管区的第一导电型半导体衬底的晶体管区上形成栅电极；在光电二极管区和晶体管区中的栅电极的两侧分别形成轻掺杂的第二导电型扩散区；在包括栅电极的半导体衬底的整个表面上形成屏蔽层；形成光刻胶图案，以覆盖光电二极管区和栅电极；使用光刻胶图案作为掩模，通过将高密度的第二导电型杂质离子注入半导体衬底的整个表面，形成高掺杂的第二导电型扩散区；以及，去除光刻胶图案和屏蔽层。
应该理解，本发明的以上概括描述和以下详细描述均是示例性和说明性的，为了提供所要求的本发明的进一步说明。
附图说明
附图用于进一步解释本发明，结合到本申请中并构成本申请的一部分，示出了本发明的实施例，并与说明书一起用于说明本发明的原理。在附图中：
图1是根据相关技术的CMOS图像传感器中的一个像素的等效电路图；
图2是根据相关技术的CMOS图像传感器中的一个像素的布局图；
图3是沿图2的直线A-A′的横截面视图，示出当根据相关技术制造CMOS图像传感器时，在晶体管的源极和漏极区中形成高掺杂的n+型扩散区的过程；
图4A至图4E是用于制造根据本发明的CMOS图像传感器的方法的横截面视图；以及
图5是将根据相关技术和根据本发明的CMOS图像传感器中的关态电流特性进行比较的模拟结果。
具体实施方式
现在，将对本发明的优选实施例进行详细描述，其实例在附图中示出。如果可能，在所有附图中，相同的参考标号将用于指示相同或相似的部件。
在下文中，将参照附图进行描述用于制造根据本发明的CMOS图像传感器的方法。
图4A至图4E是用于制造根据本发明的CMOS图像传感器的方法的沿图2的直线A-A′的横截面视图。
如图4A所示，通过外延处理，在半导体衬底101中形成轻掺杂的第一导电型(P-型)外延层102，其中，半导体衬底101由高掺杂的第一导电型(P++型)硅形成。此时，外延层102在光电二极管中具有大的和深的耗尽区，以提高用于收集电荷的低电压光电二极管的容量，并且改善光敏性。
因此，在包括外延层102的半导体衬底101中形成STI层103，用于装置的隔离。
虽然未示出，以下将描述形成STI层103的方法。
首先，垫氧化物层(pad oxide layer)、垫氮化物层和TEOS(四乙基硅酸盐)氧化物层被顺序形成在半导体衬底上。然后，在TEOS氧化物层上形成光刻胶。
此后，利用用于限定有源区和STI区的掩模，通过曝光和显影使光刻胶图案化。在这种情况下，与STI区对应的光刻胶被去除。
然后，使用图案化的光刻胶作为掩模，垫氧化物层、垫氮化物层和TEOS氧化物层被从STI区去除。
利用图案化的垫氧化物层、垫氮化物层和TEOS氧化物层作为掩模，对应于STI区的半导体衬底被蚀刻预定深度，从而形成沟槽。此后，光刻胶被完全去除。
然后，牺牲氧化物层很薄地形成在包括沟槽的半导体衬底的整个表面上，形成O3 TEOS层以填充沟槽。此时，在沟槽的内侧壁处形成牺牲氧化物层。在1000℃的温度以上形成O3 TEOS层。
随后，对半导体衬底的整个表面进行CMP(化学机械抛光)处理，由此使O3 TEOS层留在沟槽中，从而在沟槽中形成STI层103。然后，去除垫氧化物层、垫氮化物层和TEOS氧化物层。
此后，栅电极绝缘层104和导电层(例如，高掺杂的多晶硅层)被顺序形成在包括STI层103的外延层102的整个表面上，然后被选择性地去除，从而在每个晶体管中形成栅电极105。在这种情况下，栅绝缘层104可以用热氧化物处理或利用CVD方法形成。
如图4B所示，第一光刻胶106被覆盖在包括栅电极105的半导体衬底101的整个表面上，对涂敷的第一光刻胶106执行曝光和显影处理。这样，第一光刻胶图案化，以覆盖光电二极管，并使每个晶体管的源极和漏极区暴露。
使用图案化的第一光刻胶106作为掩模，第二导电型(n-型)杂质离子被注入到暴露的源极和漏极区，从而形成轻掺杂的n-型扩散区107。
如图4C所示，在完全去除第一光刻胶106后，第二光刻胶108被涂敷在半导体衬底101的整个表面上，且然后被图案化，以通过曝光和显影暴露光电二极管。使用图案化的第二光刻胶108作为掩模，第二导电型(n-型)杂质离子被注入到外延层102，从而在光电二极管中形成轻掺杂的n-型扩散区109。此时，用于形成光电二极管的轻掺杂的n-型扩散区109的处理的离子注入能量高于用于形成源极和漏极区的轻掺杂的n-型扩散区107的处理的离子注入能量。因此，光电二极管的轻掺杂的n-型扩散区109比源极和漏极区的轻掺杂的n-型扩散区107更深且更大。
如图4D所示，在完全去除第二光刻胶108后，在半导体衬底101的整个表面上形成绝缘层，然后对绝缘层执行沟道腐蚀处理(etch-back process)。这样，绝缘侧壁110在栅电极105的两侧形成。
因此，TEOS型的氧化物层111在包括栅电极105和绝缘侧壁110的半导体衬底101的整个表面上形成100±30
的厚度。提供氧化物层111以防止在低温时器件特性的变化，并改善器件特性。
然后，第三光刻胶112被涂敷在包括氧化物层111的半导体衬底61的整个表面上，然后被图案化，以覆盖光电二极管区和栅电极105，并通过曝光和显影暴露每个晶体管中的源极和漏极区。
使用图案化的第三光刻胶112作为掩模，高密度的n+型杂质离子被注入曝光的源极和漏极区，从而形成高掺杂的n+型扩散区113。当根据本发明形成高掺杂的n+型扩散区113时，与相关技术相比，离子注入能量变得更高。更确切地说，在根据相关技术形成高掺杂的n+型扩散区的情况下，离子注入能量保持在约60KeV。同时，在根据本发明形成高掺杂的n+型扩散区的情况下，离子注入能量保持在约80KeV。
如图4E所示，在去除第三光刻胶112后，利用各向同性湿蚀刻法(isotropic wet-etching method)去除氧化物层111。然后，对半导体衬底101有选择地执行自对准金属硅化物处理。这样，对应于栅电极105和高掺杂的n+型扩散区113，在半导体衬底101的表面上有选择地形成自对准金属硅化物层114。
图5是将根据相关技术(#22和#23)和根据本发明(#24和#25)的CMOS图像传感器中的关态电流特性进行比较的实验的模拟结果。
如图5所示，在用于形成CMOS图像传感器(#22和#23)的相关技术方法和用于形成根据本发明(#24和#25)的CMOS图像传感器的方法之间，关态电流特征存在差别，其中，在注入杂质离子前，形成厚度约为100的氧化物层，用于形成源极和漏极区。
在图5中，根据相关技术和本发明，在用于具有232*40阵列的晶体管图案的CMOS图像传感器的相同条件下，测量晶体管的关态电流。
在根据相关技术(#22and#23)的CMOS图像传感器的情况下，关态电流随着沟道概率(channeling probability)的增加而增加，而关态电流值在1E-8和E-6的范围内不均匀。因此，在相关技术中，不可能保持均匀的关态电流。同时，在根据本发明(#24和#25)的CMOS图像传感器的情况下，保持1E-8的均匀关态电流值。并且，当沟道概率高时，由根据本发明的方法制造的CMOS图像传感器的关态电流值低于由根据相关技术的方法制造的CMOS图像传感器的关态电流值。
如上所述，根据本发明制造CMOS图像传感器的方法具有如下优点。
在根据本发明的用于制造CMOS图像传感器的方法中，为了形成源极和漏极区，在注入高掺杂的n+型杂质离子前，在半导体衬底的整个表面上形成氧化物层，这样，就可以防止高掺杂的n+型杂质离子渗透到栅电极的下侧，从而减小了晶体管的关态电流。此外，可以防止设备特性随着温度变化而变化。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于制造互补金属氧化物半导体图像传感器的方法，包括：
在包括光电二极管区和晶体管区的第一导电型半导体衬底的晶体管区上形成栅电极；
在所述光电二极管区和所述晶体管区中的所述栅电极两侧分别形成轻掺杂的第二导电型扩散区；
在包括所述栅电极的所述半导体衬底的整个表面上形成屏蔽层；
形成光刻胶图案，以覆盖所述光电二极管区和所述栅电极；
使用光刻胶图案作为掩模，通过将高密度的第二导电型杂质离子注入所述半导体衬底的整个表面，形成高掺杂的第二导电型扩散区；以及
去除所述光刻胶图案和所述屏蔽层。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述屏蔽层由基于TEOS的氧化物材料形成。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述屏蔽层包括非晶体层。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光电二极管区的所述轻掺杂的第二导电型扩散区比所述晶体管区的所述轻掺杂的第二导电型扩散区深。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述屏蔽层的厚度在
和
之间。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，通过湿蚀刻法去除所述屏蔽层。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，通过以80KeV的能量注入所述第二导电型杂质离子，形成所述高掺杂的第二导电型扩散区。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在所述第一导电型半导体衬底中形成轻掺杂的第一导电型外延层，其中，所述第一导电型半导体衬底由高掺杂的第一导电型硅形成。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在所述晶体管区的所述栅电极上和所述高掺杂的第二导电型扩散区的上表面上形成自对准金属硅化物层。
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