CN100468757C - Cmos图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种CMOS图像传感器及其制造方法，可通过将三角形的光电二极管区设置成使其与STI相接触的界面最小化，或进行氘退火以去除来自于与氧化物相接触的界面的不饱和键，来减小光电二极管的泄漏电流。该CMOS图像传感器包括：半导体衬底；在半导体衬底上的器件隔离层；以及多个光电二极管，每一个光电二极管均具有使其边界与器件隔离层相接触的面积最小化的形状。
Description
相关申请的交叉参考
本申请要求于2004年12月30日提交的韩国专利申请第10-2004-0116421号和于2004年12月30日提交的韩国专利申请第10-2004-0116553号的优先权，其全部内容结合于此作为参考。
技术领域
本发明涉及一种图像传感器，更特别地，涉及一种CMOS图像传感器及其制造方法。尽管本发明适于更广范围的应用领域，但是其尤其适于减小光电二极管的泄漏电流，采用的方式为，设置三角形的光电二极管区，以使其与STI浅沟道隔离(STI)相接触的界面最小化，或在有氘存在的情况下退火，以从与氧化物接触的界面中去除不饱和键。
背景技术
一般而言，图像传感器是将光学图像转换为电信号的半导体器件。图像传感器可以分为使用金属氧化物半导体(MOS)电容器的电荷耦合器件(CCD)和使用MOS晶体管的互补MOS(CMOS)图像传感器。
在CCD图像传感器中，多个MOS电容器彼此紧密排列以转移和存储电荷载流子。在CMOS图像传感器中，根据使用控制电路和信号处理电路作为外围电路的CMOS技术制造对应多个像素的多个MOS晶体管，以及应用了使用MOS晶体管逐个地检测输出的开关系统(switching system)。
CCD具有复杂的激励系统(drive system)，消耗大量的功率，具有太多掩模的复杂制造过程，并且由于难以在CCD芯片中实现信号处理电路而难以实现单芯片。
CMOS图像传感器通过在单元像素中设置光电二极管和MOS晶体管并使用开关系统顺序地检测信号来处理图像。与需要至少30-40个掩模的CCD处理相比，CMOS图像传感器采用CMOS制造技术，其制造过程需要大约20个掩模。此外，CMOS图像传感器使得能够实现使用信号处理电路的单芯片。
下面详细说明根据相关技术的CMOS图像传感器电路和该CMOS图像传感器的光电二极管。
图1是根据相关技术的具有三个晶体管和一个光电二极管的CMOS图像传感器的单元像素的布局图。
图像传感器的单元像素包括:矩形光电二极管10，用于接收光以产生光电荷；复位晶体管11，通过其栅电极接收Rx信号，以复位从光电二极管10产生的光电荷；激励晶体管12，通过其栅电极接收Dx信号，以起到源跟随缓冲放大器的作用；以及选择晶体管13，起到寻址处理作用。形成STI(浅沟道隔离)层14，以隔离多个器件。
图2是图1所示的CMOS图像传感器沿线II-II’截取的剖视图。
在重掺P型衬底15上生长轻掺P型外延层(未示出)。在外延层上形成轻掺N型光电二极管10和STI层14。在外延层上顺序地形成复位晶体管11的栅极氧化层17和栅电极18。在栅电极18的两个侧壁上分别形成隔离物(spacer)19。
图3是根据相关技术的具有四个晶体管和一个光电二极管的CMOS图像传感器的单元像素的布局图。
图像传感器的单元像素包括:矩形光电二极管10，用于接收光以产生光电荷；转移晶体管21，通过其栅电极接收Tx信号，以转移由光电二极管10产生的光电荷；复位晶体管11，通过其栅电极接收Rx信号以复位光电荷；激励晶体管12，通过其栅电极接收Dx信号，以用作源跟随缓冲放大器；以及选择晶体管13，起到寻址作用。形成STI层14，以隔离多个器件。
图4是图3所示的CMOS图像传感器沿剖线IV-IV’截取的剖视图。
在重掺P型衬底15上生长轻掺P型外延层(未示出)。在外延层上形成轻掺N型光电二极管10和STI层14。在外延层上顺序地形成转移晶体管21的栅极氧化层17和栅电极18。在栅电极18的两个侧壁上分别形成隔离物24。在栅电极18旁边的外延层上形成重掺N型扩散区25。
图5和图6分别是图1和图3所示的CMOS图像传感器的像素阵列的布局图。
参照图5和图6，通过STI层14将单元像素彼此隔离。特别地，如图5所示，同一行中的单元像素共用选择晶体管13的栅电极。
图7是根据相关技术的CMOS图像传感器的像素阵列的示意图。
在第一行中交替地布置绿色和红色像素27和28。在第二行中交替地布置蓝色和绿色像素29和27。
在相关技术的CMOS图像传感器中，由于光电二极管为矩形，所以使光电二极管10的四个侧面与STI层14接触。因此，存在于STI14与光电二极管10之间界面20处的缺陷使光电二极管10的泄漏电流增大。
而且，在相关技术的CMOS图像传感器中，由于是在有氢存在的情况下(氢退火工艺)将半导体衬底15退火以使在STI层14与光电二极管10之间的界面20和在半导体衬底15与栅极氧化层17之间的另一界面22变稳定，所以由热电子注入所导致的热电子破坏了Si-H键，以至于增多了来自于界面20和22的阱。从而，增大了光电二极管10的泄漏电流。
而且，由于STI层14包括通过活性离子蚀刻(RIE)形成的沟道，所以STI层14与光电二极管10之间的界面20的特性比半导体衬底15和栅极氧化层17之间的另一界面22的特性差，这对光电二极管产生了不利影响。因此，前者的界面20的泄漏电流会比后者的界面22的泄漏电流更加严重。
发明内容
因此，本发明涉及一种CMOS图像传感器的制造方法，其充分地消除了由相关技术的局限性和缺陷所导致的一个或多个问题。
本发明可提供一种CMOS图像传感器及其制造方法，其中，通过将三角形光电二极管区配置成最小化与STI相接触的界面，或在有氘存在的情况下退火以去除来自于与氧化物相接触的界面的不饱和键，来减小光电二极管的泄漏电流。
本发明的其它优点、目的和特征将至少部分地在随后的说明书中阐述，部分地在本领域普通技术人员分析以下内容的基础上变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其它优点可通过在说明书、权利要求、以及附图中所特别指出的结构来实现和达到。
为了实现这些目标和其它优点，并根据本发明的目的，如本文中所体现和概括描述的，一种根据本发明典型实施例的CMOS图像传感器包括:半导体衬底；器件隔离层，位于所述半导体衬底上；以及多个光电二极管，每一个所述光电二极管均具有使其边界与所述器件隔离层相接触的面积最小化的形状。
在一个实施例中，所述多个光电二极管中的每一个均为三角形。
CMOS图像传感器还可包括晶体管区，所述晶体管区包括转移晶体管、复位晶体管、激励晶体管、以及选择晶体管。沿所述多个光电二极管的侧面而形成的所述晶体管区可以是三角形。
所述多个光电二极管可布置成使所述三角形光电二极管的每个顶点相交替地布置。
在本发明一个典型实施例的另一方面中，一种CMOS图像传感器的制造方法包括以下步骤:在半导体衬底上形成器件隔离层，以限定有源区；在所述有源区中的所述半导体衬底上形成光电二极管；以及在有氘存在的情况下退火所述半导体衬底。
所述退火步骤可在有氮存在的情况下进行。
氘与氮的成分比可为2:8。
所述退火步骤可在400℃下进行30分钟。
在本发明的一个典型实施例的又一方面中，一种CMOS图像传感器的制造方法包括以下步骤:在半导体衬底上形成器件隔离层，以限定有源区；在所述有源区中的所述半导体衬底上形成光电二极管，以使所述光电二极管的边界与所述器件隔离层相接触的面积最小化；以及在有氘存在的情况下退火所述半导体衬底。
所述光电二极管可形成为三角形。
所述退火步骤可在有氘与氮存在的情况下进行。
氘与氮的成分比可为2:8。
所述退火步骤可在400℃下进行30分钟。
应该理解，本发明的先前的概述和随后的详述都是示例性的和说明性的，目的在于提供对所要求的本发明的进一步说明。
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是根据相关技术的具有三个晶体管和一个光电二极管的CMOS图像传感器的单元像素的布局图；
图2是图1所示的CMOS图像传感器沿线II-II’截取的剖视图；
图3是根据相关技术的具有四个晶体管和一个光电二极管的CMOS图像传感器的单元像素的布局图；
图4是图3所示的CMOS图像传感器沿剖线IV-IV’截取的剖视图；
图5和图6分别是图1和图3所示的CMOS图像传感器的像素阵列的布局图；
图7是根据相关技术的CMOS图像传感器的像素阵列的示意图；
图8是根据本发明的一个实施例的CMOS图像传感器中的光电二极管的布局图；
图9是图8所示的光电二极管沿线IX-IX’截取的剖视图；
图10是具有图8所示的光电二极管的CMOS图像传感器的像素阵列的布局图；
图11是根据本发明的一个实施例的CMOS图像传感器的像素阵列的示意图；
图12是在完成根据本发明另一实施例的在有氘存在的情况下的退火之后，在衬底与氧化层(STI或栅极氧化层)之间的界面键合状态的示意图；
图13是分别根据本发明另一实施例的在有氘存在的情况下和根据相关技术的在有氢存在的情况下进行退火的光电二极管的泄漏电流特性的比较图；
图14是分别根据本发明另一实施例的通过氘退火和根据相关技术的通过氢退火而进行退火的光电二极管的电流特性的比较图；
图15分别是在外围和有源区中的光电二极管图样的示意图；
图16分别示出根据本发明另一实施例的通过氘退火的在有源区和外围区中光电二极管的泄漏电流减小的曲线图；以及
图17是分别与根据本发明另一实施例的在有氘存在的情况下和根据相关技术的在有氢存在的情况下进行退火的MOS晶体管的应力(stress)相对应的界面特性的比较图。
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，在所有附图中将使用相同的参考标号表示相同或相似的部件。
图8是根据本发明的一个实施例的CMOS图像传感器中的光电二极管的布局图。在本实施例中，通过改变光电二极管30的形状来减小光电二极管30与STI层相接触的面积，由此来减小光电二极管30的泄漏电流。
参照图8，根据本发明的一个实施例的光电二极管30具有三角形。可沿光电二极管30的侧面布置转移晶体管、复位晶体管、激励晶体管、以及选择晶体管的区域(未示出)。
图9是图8所示的光电二极管沿线IX-IX’截取的剖视图。
参照图9，在重掺P型衬底32上生长轻掺P型外延层(未示出)。在外延层上形成轻掺N型光电二极管30。STI层33形成为接触光电二极管30。在外延层上顺序地形成转移晶体管的栅极氧化层35和栅电极37。在栅电极37的两个侧壁上分别形成隔离物39。在栅电极37旁边的外延层上形成重掺N型扩散区41。在光电二极管30与STI层33之间形成界面43。在半导体衬底32与栅极氧化层35之间形成另一界面45。
图10是具有图8所示的光电二极管的CMOS图像传感器的像素阵列的布局图。
参照图10，图像传感器的单元像素包括一个光电二极管30和四个晶体管(未示出)。四个晶体管分别对应于转移晶体管、复位晶体管、激励晶体管、以及选择晶体管(未示出)。
特别地，光电二极管30大致上为三角形。四个晶体管的区域定位于沿着光电二极管30的侧面。交替地布置多个三角形光电二极管30，以使三角形光电二极管30的每个顶点相交替。
图11是根据本发明的一个实施例的CMOS图像传感器的像素阵列的示意图。
参照图11，在第一行中，将绿色和红色像素47和49交替布置成彼此接触。在第二行中，将绿色和蓝色像素47和51交替布置成彼此接触。
在本实施例中，通过改变光电二极管30的形状来减小泄漏电流。可选地，在本发明的另一实施例中，在完成光电二极管30和STI层33之后，在有氘存在的情况下完成退火，以从半导体衬底32与氧化层33或35之间的界面43或45中去除不饱和键。由此，可减少光电二极管30的泄漏电流。
由于氢具有小于氘的重量，所以Si-H键具有高于Si-D键的振动频率。由于Si-D键的振动频率与Si的声子频率相似，所以氘与Si的键合很可能比氢与Si的键合要好。因此，对于减小泄漏电流，氘退火比氢退火更加有效。
氘退火在400℃下20％氘和80％氮中进行30分钟。
图12是在完成根据本发明另一实施例的氘退火之后，在半导体衬底32和氧化层(STI33或栅极氧化层35)之间的界面43或45键合状态的示意图。
参照图12，一旦进行氘退火，存在于半导体衬底32与氧化层33或35之间的界面43或45中的不饱和键则将与氘键合。
图13是分别根据本发明另一实施例的使用氘环境退火和根据相关技术的使用氢退火的光电二极管的泄漏电流特性的比较图。
参照图13，采用在20％氘和80％氮中进行退火的本发明的泄漏电流特性显著地优于相关技术的泄漏电流特性。在一个典型实施例中，退火气体包括浓度为约10到25％的氢和氘中的一种。
图14是分别根据本发明另一实施例的通过氘退火和根据相关技术的通过氢退火而进行退火的光电二极管的电流特性的比较图。
参照图14，使用氘退火的本发明的钝化优于使用氢退火的相关技术的钝化。因此，减少了存在于界面43中的缺陷向光电二极管30的渗透。由此，减小了泄漏电流。
图15分别是在外围区和有源区中的光电二极管图样的示意图。
图15的部分(a)示出的外围区中形成为与STI层接触的光电二极管图样PPP长于图15部分(b)示出的在有源区中形成的光电二极管图样APP。在氘退火中，如图16所示，在外围区中通过光电二极管图样PPP的泄漏电流减小大于在有源区中通过光电二极管图样APP的泄漏电流减小效果。
图17是分别与根据本发明另一实施例的在有氘存在的情况下和根据相关技术的在有氢存在的情况下进行退火的MOS晶体管的应力相对应的界面特性的比较图。
参照图17，在施加应力之后，在有氘存在的情况下进行退火的MOS晶体管具有的电荷泵(CP)电流小于在有氢存在的情况下进行退火的MOS晶体管的电荷泵电流。
在上述实施例中，设置了具有三角形光电二极管的CMOS图像传感器以及在有氘存在的情况下进行退火的CMOS晶体管。可选地，可使用三角形光电二极管和氘退火，来制造其他的图像传感器。特别地，当在半导体衬底上形成三角形光电二极管之后，在有氘存在的情况下将半导体衬底进行退火。由此，可进一步减小光电二极管的泄漏电流。
由此，本发明可提供以下的效果或优点。
通过三角形光电二极管使STI与光电二极管之间的界面最小化，以防止存在于STI界面中的缺陷渗透到光电二极管，从而可减小光电二极管的泄漏电流。
本发明的图像传感器可容纳的像素是采用矩形光电二极管的相关技术的图像传感器的两倍，从而提高了集成度。
在有氘存在的情况下进行退火以增强承受电应力的可靠性，并且确保对由PPID(等离子工艺引起的损坏)导致的损坏进行有效整治。
由于在界面处，氘与不饱和键键合，所以增强了对应界面的特性，以减小泄漏电流。由于氘比氢重，所以与氢相比而言，氘较少地被来自于Si的不饱和键的应力所分离。因此，增强了界面特性以进一步减小泄漏电流。
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 (8)
1.一种CMOS图像传感器，包括:
半导体衬底；
器件隔离层，位于所述半导体衬底上；以及
多个光电二极管，每一个所述光电二极管均为三角形，所述多个光电二极管布置成使所述三角形光电二极管的每个顶点相交替。
2.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中，所述三角形使与所述器件隔离层相接触的边界最小化。
3.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，还包括晶体管区，所述晶体管区包括转移晶体管、复位晶体管、激励晶体管、以及选择晶体管，所述晶体管区沿所述多个光电二极管中的至少一个的侧面而形成。
4.一种CMOS图像传感器的制造方法，包括以下步骤:
在半导体衬底上形成器件隔离层，以限定有源区；
在所述有源区中的所述半导体衬底上形成至少一个具有三角形形状的光电二极管，所述至少一个光电二极管布置成使所述三角形光电二极管的每个顶点相交替；以及
在有气体存在的情况下退火所述半导体衬底。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述退火步骤在有氮存在的情况下进行。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述气体包括氢和氘中的一种。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述气体包括浓度为10到25％的氢和氘中的一种。
8.根据权利要求4所述的方法，其中，所述退火步骤在400℃下进行30分钟。
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