CN100466276C - Cmos图像传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有晶体管的CMOS图像传感器及其制造方法。该CMOS图像传感器包括半导体衬底；形成在半导体衬底上的晶体管的栅电极；以及非晶硅层，形成为栅电极的一部分，从而防止栅电极下的通道区被杂质离子掺杂。

Description

CMOS图像传感器及其制造方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2004年12月30日提交的第10-2004-0116420号韩国专利申请的优先权，其全部内容结合于此供参考。
技术领域
本发明涉及一种互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器，更具体地，涉及一种具有晶体管的CMOS图像传感器及其制造方法，利用在晶体管的栅电极中形成离子注入阻挡层，以防止栅电极下的通道区被杂质离子掺杂。
背景技术
图像传感器是一种可将光学图像转换成电图像的半导体器件，可以是电荷耦合器件或者是CMOS图像传感器。
在电荷耦合器件中，很多单个的金属氧化半导体(MOS)电容器彼此排布得非常靠近，其中的每一个均可储存和输送载荷子。公知地，电荷耦合器件含有缺陷，包括:复杂的驱动方式、高电功率消耗、由于很多掩模过程而导致的复杂昂贵的制造工艺。由于设计可在单芯片中实现的信号处理电路的困难，所以难以制造单芯片电荷耦合器件。
另一方面，CMOS图像传感器是具有用控制电路和信号处理电路作为外围电路，通过CMOS技术对应于像素所分别形成的MOS晶体管的器件，并且其采用开关技术，该开关技术允许通过与排列在半导体(硅)衬底上的像素数相对应的MOS晶体管来顺序地检测输出。因而，CMOS图像传感器由包括光电二极管的信号处理芯片组成，每个信号处理芯片具有放大器、模数转换器、调压器、定时信号发生器、以及数字逻辑电路。从而，使用CMOS图像传感器可实现较小的布局和整体尺寸，减少功率消耗，和较低的成本。
对于CMOS图像传感器而言，具有几种不同的像素结构。典型的已商业化的类型包括:三晶体管(3-T)像素单元，其包括三个基本晶体管和一个光敏装置(例如，光电二极管)；和四晶体管(4-T)像素单元，其包括四个基本晶体管和一个光敏装置。图1中示出了常规的3-T CMOS图像传感器，其中，单位像素包括:光电传感器8，用于接收光学信号和相应地产生电荷；复位晶体管9，用于复位光电传感器中产生的电荷；激励晶体管10，用作源跟随缓冲放大器；以及选择晶体管11，用于执行寻址操作。类似地，图2中示出了常规的4-T CMOS图像传感器，其中，单位像素包括光电传感器12，用于接收光学信号和相应地产生电荷；转移晶体管13，用于转移光电传感器中累积的电荷；复位晶体管14，用于复位光电传感器中产生的电荷；激励晶体管15，用作源跟随缓冲放大器；以及选择晶体管16，用于执行寻址操作。
可以通过增加到达光敏装置(即，光电传感器8或12)的光的程度，使CMOS图像传感器的光敏度提高。不管哪种情况，电子都是根据穿过微透镜(未示出)的光入射量所产生的，并积累在光敏装置中，CMOS图像传感器的运行是光敏装置中的电子的积累结果，其导致了激励晶体管10或15中的电压变化。
参照图3，示出了图1或图2的常规CMOS图像传感器，上述复位晶体管或转移晶体管在半导体衬底1中形成，其重掺有P型杂质离子。即，图3是复位晶体管9(图1)或转移晶体管13(图2)的剖视图，它们中的每个均包括:P型外延层2，形成在半导体衬底1上；浅沟道隔离区7和形成为外延层的预定表面区域中的扩散区域的N-区6；以及多晶硅的栅极氧化层5和栅电极4，它们顺序地形成在外延层上，以布置得靠近N-区。在形成图样以形成栅极氧化层5和栅电极4之后，在栅极侧壁上形成隔离物(spacer)3。提供场之间的隔离的浅沟道隔离区7实质上是填充绝缘材料的沟道。N-区6通过利用形成图样的栅电极4作为掩模，用杂质轻掺P型外延层2而形成，并用作复位晶体管9或转移晶体管13的源区。
当在N-区6与P型外延层2之间施加反向偏压时，在一个大区域(即，光敏区)上形成了耗尽层，更大耗尽层的尺寸的增加直接提高了CMOS图像传感器的光敏度。更大耗尽层可通过以更高的能量等级，使用离子注入掩模对外延层2注入离子来实现，从而N-区6形成得更深。
如图4所示，示出了用于制造图1或图2的常规CMOS图像传感器的工序，结合栅电极4，光刻胶图样17被用作用于N-区6的形成的离子注入掩模。此处，应该注意的是，在离子注入掩模的形成和对齐中的工序容差通常会暴露一部分的多晶硅栅电极4。于是，如果是以高能量注入离子，则注入的离子会穿透栅电极4的暴露部分，被注入到外延层2在栅电极之下的对应部分中。因此，如此形成的N-区6部分地延伸到栅电极4下的通道区，该栅电极不能够完全地阻挡离子注入，尤其是高能量等级的离子注入。
同时，硅化物层(未示出)通常沉积在形成栅电极4的已形成图样的多晶硅层上。然而，在形成硅化物层之前，需对栅电极的上侧进行制备工序，即，在栅电极的接触面上形成非晶体部位。
N-区6在外延层2的在栅电极4之下的区域中的上述存在，导致当操作图像传感器时产生过高程度的漏电流，从而使图像传感器的图像质量下降。此外，漏电流的反复无常和不可预测的程度，导致光刻胶图样17的对齐(定位)随着工艺条件而变化，从而改变了N-区6的准确位置，从而必然影响成品率。为了防止如上所述的N-区的不正确形成和增加成品率，必须仔细控制离子注入掩模的形成，这增加了制造成本。
发明内容
因此，本发明旨在提供一种CMOS图像传感器及其制造方法，它能基本上解决由于相关技术的局限性和缺陷导致的一个或多个问题。
本发明的一个目的在于，提供一种CMOS图像传感器及其制造方法，其中，非晶硅层作为多晶硅栅电极的一部分形成于复位晶体管或转移晶体管中，以防止在通道区中栅电极之下深N-区的形成。
本发明的又一个目的在于，提供了一种CMOS图像传感器及其制造方法，其能够减少漏电流。
本发明的又一个目的在于，提供了一种CMOS图像传感器及其制造方法，其使得用于在复位晶体管或转移晶体管中形成用作源区的深N-区的离子注入步骤变得容易。
根据本发明的一种具有晶体管的CMOS图像传感器，包括:
半导体衬底；
栅电极，形成在所述半导体衬底上的所述晶体管；以及
离子注入阻挡层，形成为所述栅电极的一部分，其中所述离子注入阻挡层是非晶硅层，
其中，所述栅电极包括:
下部栅电极；以及
上部栅电极，
其中所述非晶硅层介于所述下部栅电极与所述上部栅电极之间。
优选地，其中所述离子注入阻挡层是非晶硅层。
优选地，其中所述半导体衬底是第一导电类型的，以及所述非晶硅层的厚度随着预定的离子注入能量等级而变化，所述离子注入用于在所述半导体衬底靠近所述栅电极的地方中形成第二导电类型的扩散区。
优选地，其中所述栅电极通过使多晶硅层形成图样来形成。
优选地，其中所述非晶硅层表现出比多晶硅层更高的原子碰撞特性。
优选地，其中所述非晶硅层以低于形成所述多晶硅层的温度的温度形成。
优选地，还包括:外延层，通过用第一导电性的杂质轻掺所述半导体衬底而形成，所述半导体衬底被用所述第一导电性的杂质重掺。
优选地，还包括:浅沟道隔离区，其作为填充绝缘材料的沟道形成于所述半导体衬底中，用于在场之间提供隔离。
优选地，其中所述晶体管是复位晶体管和转移晶体管中的一个。
制造根据本发明的一种具有晶体管的CMOS图像传感器的方法，包括以下步骤:
在第一导电类型的半导体衬底中形成浅沟道隔离区；
在所述半导体衬底上表面形成下部栅电极；
在所述下部栅电极顶部上形成离子注入阻挡层；以及
执行离子注入步骤，以在所述半导体衬底中靠近所述栅电极处形成第二导电类型的扩散区。
制造根据本发明的一种具有晶体管的CMOS图像传感器的另一种方法，包括以下步骤:
包括以下步骤:
在第一导电类型的半导体衬底中形成浅沟道隔离区；
在所述半导体衬底上形成下部栅电极；
在所述下部栅电极上形成离子注入阻挡层；
在所述离子注入阻挡层上形成上部栅电极；以及
执行离子注入步骤，以在所述半导体衬底中靠近所述栅电极的地方形成第二导电类型的扩散区。
本发明的其它优点、目的、和特征将在随后的说明中部分地阐述，并且，对于本领域的技术人员而言，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为获得根据本发明的实施例的这些目的和其他优点，如已概括和充分说明的，提供了一种具有晶体管的CMOS图像传感器。该CMOS图像传感器其包括:半导体衬底；形成在所述半导体衬底上的所述晶体管的栅电极；以及离子注入阻挡层，形成为所述栅电极的一部分。
另一方面，提供了一种用于制造具有晶体管的CMOS图像传感器的方法，该方法包括:在第一导电类型的半导体衬底中形成浅沟道隔离区；在所述半导体衬底上形成多晶硅的栅电极；形成离子注入阻挡层，作为所述栅电极的一部分；以及执行离子注入步骤，以在所述半导体衬底中靠近所述栅电极的地方形成第二导电类型的扩散区。所述离子注入阻挡层是非晶硅层。
在本发明的第一实施例中，非晶硅层优选地形成栅电极的顶部。在本发明的第二实施例中，非晶硅层形成栅电极的中间部分，其包括下部栅电极和上部栅电极，该中间非晶硅层设置在下部和上部栅电极之间。
应该理解，以上对本发明的一般性描述和以下的详细描述都是示例性的和说明性质的，目的在于对要求保护的本发明提供进一步的说明。
附图说明
附图构成本说明书的一部分，有助于进一步理解本发明，这些附图示出了本发明的一些实施例，并可与说明书一起用来说明本发明的原理。附图中:
图1是具有三个晶体管的常规CMOS图像传感器的平面图；
图2是具有四个晶体管的常规CMOS图像传感器的平面图；
图3是沿线A-A′或B-B′的剖视图，示出了图1或图2的常规CMOS图像传感器；
图4是沿线A-A′或B-B′的剖视图，示出了用于制造图1或图2的常规CMOS图像传感器的工序步骤；
图5是根据本发明的第一实施例的CMOS图像传感器的剖视图，示出了用于形成深N-区的离子注入步骤；以及
图6是根据本发明的第二实施例的CMOS图像传感器的剖视图，示出了用于形成深N-区的离子注入步骤。
具体实施方式
以下将详细参照本发明的优选实施例，其实例在附图中示出。尽可能地，在所有附图中使用相同的参考标号表示相同或相似的部件。
参照示出了根据本发明的第一实施例的CMOS图像传感器的图5，复位晶体管或转移晶体管在半导体衬底21中形成，该半导体衬底重掺有P形杂质离子。即，图5是复位晶体管9(图1)或转移晶体管13(图2)的剖视图，复位晶体管或转移晶体管中的每个均包括:P型外延层22，在半导体衬底21上形成；浅沟道隔离区37和形成为外延层的预定表面区域中的扩散区的深N-区26；以及栅极氧化层25和多晶硅的栅电极24，它们顺序地在外延层上形成，以设置得靠近深N-区。提供场之间的隔离的浅沟道隔离区37实质上是填充绝缘材料的沟道。
本发明的CMOS图像传感器的晶体管是复位或转移晶体管，并且根据第一实施例，包括在栅电极24的顶部形成的非晶硅层23。可选地，尽管图中没有明确地示出，但本发明的非晶硅层23可以在栅电极24的底部形成。
非晶硅层23用作离子注入阻挡层。即，非晶硅层23防止在通道区中栅电极24之下形成深N-区26，这是由于非晶硅层可以在例如用于形成深N-区的离子注入步骤期间经受得住较高的能量等级(较剧烈的原子碰撞)。尤其是，非晶硅层比多晶硅层(栅电极)24表现出更高的原子碰撞特性。非晶硅层的厚度可随预定的离子注入能量等级而变化。此外，非晶硅层23以低于形成多晶硅层的温度形成。
光刻胶图样29在非晶硅层23上形成，并和栅电极24一起用作用于形成深N-区26的离子注入掩模，该深N-区通过用杂质轻掺P型外延层22而形成。此处，深N-区26通常在栅极侧壁上的隔离物(未示出)的形成之前形成。
参照图6，示出了根据本发明的第二实施例的CMOS图像传感器，复位晶体管9(图1)或转移晶体管13(图2)的栅电极由下部栅电极24a、上部栅电极24b、和非晶硅层23′组成，非晶硅层作为离子注入阻挡层夹在下部和上部栅电极之间。即，下部栅电极24a在栅极氧化层25上形成，非晶硅层23′在下部栅电极上形成，以及上部栅电极24b在居中定位的非晶硅层上形成。这样，在上部栅电极24b上形成光刻胶图样29。
通过采用根据本发明的CMOS图像传感器，可使复位或转移晶体管的漏电流最小化，并可保持每像素一致的电特性，从而改善了图像特性。此外，在栅电极的上侧非晶硅层所形成的地方，不需要制备栅电极的非晶上侧，从而简化了制作工艺。
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 (13)

1.一种具有晶体管的CMOS图像传感器，包括:
半导体衬底；
栅电极，形成在所述半导体衬底上的所述晶体管；以及
离子注入阻挡层，形成为所述栅电极的一部分，其中所述离子注入阻挡层是非晶硅层，
其中，所述栅电极包括:
下部栅电极；以及
上部栅电极，
其中所述非晶硅层介于所述下部栅电极与所述上部栅电极之间。
2.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中所述离子注入阻挡层形成于所述下部栅电极的顶部。
3.根据权利要求2所述的CMOS图像传感器，其中所述离子注入阻挡层形成所述下部栅电极的上表面。
4.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中所述离子注入阻挡层形成于所述上部栅电极的底部。
5.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中所述离子注入阻挡层形成于所述下部栅电极的中间部分。
6.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中所述半导体衬底是第一导电类型的，以及所述非晶硅层的厚度随着预定的离子注入能量等级而变化，所述离子注入用于在所述半导体衬底靠近所述栅电极的地方中形成第二导电类型的扩散区。
7.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中所述栅电极通过使多晶硅层形成图样来形成。
8.根据权利要求7所述的CMOS图像传感器，其中所述非晶硅层表现出比多晶硅层更高的原子碰撞特性。
9.根据权利要求7所述的CMOS图像传感器，其中所述非晶硅层以低于形成所述多晶硅层的温度的温度形成。
10.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，还包括:
外延层，通过用第一导电性的杂质轻掺所述半导体衬底而形成，所述半导体衬底被用所述第一导电性的杂质重掺。
11.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，还包括:
浅沟道隔离区，其作为填充绝缘材料的沟道形成于所述半导体衬底中，用于在场之间提供隔离。
12.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中所述晶体管是复位晶体管和转移晶体管中的一个。
13.一种用于制造具有晶体管的CMOS图像传感器的方法，包括以下步骤:
在第一导电类型的半导体衬底中形成浅沟道隔离区；
在所述半导体衬底上表面形成下部栅电极；
在所述下部栅电极顶部上形成离子注入阻挡层；
在所述离子注入阻挡层顶部形成上部栅电极；以及
执行离子注入步骤，以在所述半导体衬底中靠近所述栅电极处形成第二导电类型的扩散区。
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