CN100470761C - Cmos图像传感器的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种CMOS图像传感器的制造方法。该互补金属氧化物半导体图像传感器的制造方法包括：制备其中限定有光电二极管区域和晶体管区域的半导体衬底；在该半导体衬底的整个表面上顺序地形成绝缘层和导电层；在该导电层上形成光致抗蚀剂图案；利用该光致抗蚀剂图案作为掩模，将该导电层蚀刻至预定的厚度；在蚀刻后的导电层上执行离子注入工艺以形成掺杂导电层；在包括该掺杂导电层的所得结构上执行氧化工艺，用以氧化该掺杂导电层以形成氧化层；以及去除氧化层和设置于其下方的绝缘层，以限定栅电极和栅绝缘层。
Description
技术领域
本发明涉及一种图像传感器的制造方法，尤其是涉及一种改善低光性能的互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的制造方法。
背景技术
通常，将光学图像转换成电信号的图像传感器主要分成电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。
CCD包括：多个布置成矩阵形式的光电二极管PD，其将光信号转换成电信号；多个垂直电荷耦合器件(VCCD)，其形成于沿垂直方向设置的光电二极管之间，用以垂直地转移在相应光电二极管处产生的电荷；多个水平电荷耦合器件(HCCD)，其用于水平地转移从相应VCCD转移的电荷；以及读出放大器，其用于通过读出水平转移的电荷而输出电信号。
然而，CCD具有几个缺点，例如复杂的驱动系统、高功耗和由于多个光刻工艺引起的复杂制造工艺。另外，CCD在产品小型化方面也不利，因为难以在CCD芯片内集成控制电路、信号处理电路、模数(A/D)转换器等。
为了克服CCD的上述缺点，近来强调将CMOS图像传感器作为下一代图像传感器。
CMOS图像传感器采用切换模式(switching mode)，所述切换模式即通过利用使用控制电路和信号处理电路作为外围电路的CMOS技术，在半导体衬底上形成对应于单位像素数的MOS晶体管，利用所述MOS晶体管顺序地检测单位像素的输出。
就是说，CMOS图像传感器通过开关模式而顺序地检测相应单位像素的电信号来显示图像，其中单位像素配置有光电二极管和MOS晶体管。
由于CMOS图像传感器利用CMOS技术制造，所以CMOS图像传感器具有诸如低功耗和由于较少数量的光刻工艺而产生的制造工艺简单之类的有利优点。
而且，因为CMOS图像传感器能够实现将控制电路、信号处理电路和A/D转换器集成于CMOS图像传感器芯片中，所以有利的是能够容易地制造细长尺寸的产品。
因此，CMOS图像传感器广泛地用于各种应用领域，例如数字照相机和数字摄像机。
其间，根据晶体管的数量，将CMOS图像传感器分成3T型、4T型、5T型等。在此，3T型CMOS图像传感器配置有一个光电二极管和三个晶体管，4T型CMOS图像传感器配置有一个光电二极管和四个晶体管。
如下将示出了4T型CMOS图像传感器的单位单元的布局。
图1是现有技术4T型CMOS图像传感器的等效电路图，以及图2是示出了4T型CMOS图像传感器的单位单元的布局。
参考图1，CMOS图像传感器的单位像素100包括用作光电转换器的光电二极管10和四个晶体管。
在此，四个晶体管配置有转移晶体管20、复位晶体管30、驱动晶体管40和选择晶体管50。负载晶体管60电连接至单位像素100中每一个的输出端子OUT。
在此并未示出的附图标记FD、Tx、Rx、Dx和Sx分别表示浮置扩散区、转移晶体管20的栅极电压、复位晶体管30的栅极电压、驱动晶体管40的栅极电压和选择晶体管50的栅极电压。
在现有技术的4T型CMOS图像传感器的单位像素中，限定了有源区，并在除有源区外的区域处限定了器件隔离层，如图2所示。光电二极管PD形成于有源区的宽部上方，并且形成四个晶体管的栅电极23、33、43和53以分别与有源区的其它部分重叠。
就是说，转移晶体管20、复位晶体管30、驱动晶体管40和选择晶体管50分别通过栅电极23、33、43和53形成。
在此，将杂质离子注入到除每个栅电极23、33、43和53下方的部分外的每个晶体管20、30、40和50的有源区上，以便形成每个晶体管的源极/漏极区(S/D)。
图3A至图3E是沿着线I-I′剖开的剖视图，其示出了现有技术的CMOS图像传感器的制造方法。
参考图3A，执行外延工艺以在重掺杂p型半导体衬底61上形成轻掺杂p型外延层62。
随后，在半导体衬底61中限定了有源区和器件隔离区，然后利用浅沟槽隔离(STI)工艺在器件隔离区上形成器件隔离层63。
在形成了器件隔离层63的外延层62的整个表面上顺序地沉积绝缘层64和例如重掺杂多晶硅的导电层。其后，选择性地去除导电层和绝缘层以形成栅电极65和栅绝缘层64。
参考图3B，将第一光致抗蚀剂层涂布于半导体衬底61的整个表面上，然后通过曝光和显影工艺使其图案化以露出蓝、绿、红光电二极管区域。
其后，利用图案化的第一光致抗蚀剂层作为掩模将轻掺杂n型杂质离子注入到外延层62上，以形成轻掺杂n型扩散区67，所述轻掺杂n型杂质离子设置用于蓝、绿、红光电二极管区域。
接下来，在完全去除了第一光致抗蚀剂层之后，在半导体基板61的整个表面上沉积绝缘层，然后执行回蚀工艺以在栅电极65的侧面上形成间隔件68。
其后，在半导体基板61的整个表面上涂布第二光致抗蚀剂层，然后通过曝光和显影工艺使其图案化以覆盖光电二极管区域但露出每个晶体管的源极/漏极区。
随后，利用图案化的第二光致抗蚀剂层作为掩模，将重掺杂n型杂质离子注入到露出的源极/漏极区上，以形成n型扩散区(浮置扩散区)70。
参考图3C，去除图案化的第二光致抗蚀剂层。在半导体衬底61的整个表面上涂布第三光致抗蚀剂层，其后通过曝光和显影工艺使其图案化以露出相应的光电二极管区域。其后，将p型杂质离子注入到光电二极管区域上，以便在半导体衬底61的表面下方形成p型扩散区72，其中该光电二极管区域具有利用图案化的第三光致抗蚀剂层作掩模形成的n型扩散区67。接下来，在去除图案化的第三光致抗蚀剂层71之后，在半导体衬底61上执行热处理，以扩大相应的杂质扩散区。
然而，现有技术的CMOS图像传感器的制造方法存在如下儿个问题。
所执行的蚀刻工艺用于选择性地去除栅绝缘层和导电层以便形成栅电极，所述蚀刻工艺对形成光电二极管PD的区域的半导体衬底造成了损坏。
而且，当在受损的半导体衬底上形成离子注入工艺，例如用于形成源极/漏极区的离子注入时，该半导体衬底就会因离子注入工艺而受到更大的损坏，这样就导致形成于受损半导体衬底中的光电二极管的单位像素暗电流的增加。于是，最终使CMOS图像传感器的低光性能(low light performance)衰退。
发明内容
因此，本发明的目的在于一种互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的制造方法，其基本消除了由于现有技术的限制和缺点而引起的一个或多个问题。
本发明的目的在于提供一种能够改善低光性能的CMOS图像传感器的制造方法。
本发明的其它优点、目的和特征将在下述说明书中部分地描述，并且对于本领域的普通技术人员而言，在研究了下述内容之后将部分地变得清楚，或者其可以从本发明的实践中获知。通过在所撰写的说明书、其权利要求书以及附图中所特别指出的结构，可以实现和获得本发明的目的和其它优点。为了实现这些目的和其它优点并根据本发明的意图，正如在此具体实施和广泛描述的，提供了一种互补金属氧化物半导体图像传感器的制造方法，其包括：制备其中限定有光电二极管区域和晶体管区域的半导体衬底；在该半导体衬底的整个表面上顺序地形成绝缘层和导电层；在该导电层上形成光致抗蚀剂图案；利用该光致抗蚀剂图案作为掩模，将该导电层蚀刻至预定的厚度；在蚀刻后的导电层上执行离子注入工艺以形成掺杂导电层；在包括该掺杂导电层的所得结构上执行氧化工艺，用以氧化该掺杂导电层以形成氧化层；以及去除该氧化层和设置于其下方的绝缘层，以限定栅电极和栅绝缘层。
另外，该方法还包括：通过在形成有栅电极和栅绝缘层的所得结构上执行离子注入工艺，在光电二极管区域中形成第一扩散区；在栅电极和栅绝缘层两者的侧壁上形成间隔件；通过在形成有间隔件的所得结构上执行离子注入工艺，在晶体管区域中形成第二扩散区；和通过在形成有第二扩散区的所得结构上执行离子注入工艺，在第一扩散区中形成第三扩散区。
此外，利用选自由砷(As)离子、磷(P)离子和硼(B)离子构成的群组中的离子，执行用于形成掺杂导电层的离子注入工艺。
在本发明的另一个方案中，提供了一种互补金属氧化物半导体图像传感器的制造方法，其包括：制备形成有光电二极管区域和晶体管区域的半导体衬底；在该半导体衬底的整个表面上顺序地形成绝缘层和导电层；在该导电层上形成第一光致抗蚀剂图案；利用该第一光致抗蚀剂图案作为掩模，将导电层蚀刻至预定的厚度；在蚀刻后的导电层上形成第二光致抗蚀剂图案，以覆盖该光电二极管区域；利用该第二光致抗蚀剂图案来蚀刻导电层和绝缘层，以留下保留于光电二极管区域上方的导电层和绝缘层；去除第一和第二光致抗蚀剂图案；形成第三光致抗蚀剂图案，仅露出光电二极管区域；以及利用第三光致抗蚀剂图案去除形成于光电二极管区域上方的导电层和氧化层，以在晶体管区域中限定栅电极和栅绝缘层。
另外，该方法还包括：通过在形成有栅电极和栅绝缘层的所得结构上执行离子注入工艺，在光电二极管区域中形成第一扩散区；在栅电极和栅绝缘层两者的侧壁上形成间隔件；通过在形成有间隔件的所得结构上执行离子注入工艺，在晶体管区域中形成第二扩散区；以及通过在形成有第二扩散区的所得结构上执行离子注入工艺，在第一扩散区中形成第三扩散区。
应当理解，本发明的前述概括性说明和以下的详细说明均是示范性和解释性的，并且旨在对所请求保护的本发明提供进一步的解释。
附图说明
所包含的附图提供对本发明的进一步理解，其被并入到本申请中并构成本申请的一部分，所述附图示出了本发明的实施例并与该说明一起用于说明本发明的原理。在图中：
图1是现有技术的4T型CMOS图像传感器的等效电路图；
图2是示出了4T型CMOS图像传感器的单位单元的布局；
图3A至图3C是说明现有技术CMOS图像传感器的制造方法的剖视图；
图4A至图4E是说明根据本发明的第一实施例的CMOS图像传感器的制造方法的剖视图；和
图5A至图5G是说明根据本发明的第二实施例的CMOS图像传感器的制造方法的剖视图。
具体实施方式
现将详细参考本发明的优选实施例，其实例在附图中示出。只要可能，就将在整个图中使用相同的附图标记来表示相同或相似的部件。
图4A至图4E是沿着图2的线I-I′剖开的剖视图，其示出了根据本发明的第一实施例的互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的制造方法。
参考图4A，执行外延工艺，以在重掺杂p型半导体衬底161上形成轻掺杂p型外延层162。
随后，在半导体衬底161中限定有源区和器件隔离区，然后利用浅沟槽隔离(STI)工艺在器件隔离区上形成器件隔离层163。
在此，尽管未示出，但下面将示例说明用于形成器件隔离层163的方法。
首先，在半导体衬底上顺次形成垫氧化层、垫氮化层、正硅酸四乙酯(TEOS)氧化层，然后在TEOS层上形成光致抗蚀剂层。随后，利用限定有源区和器件隔离区的掩模曝光并显影该光致抗蚀剂层，从而形成光致抗蚀剂图案。此时，去除位于器件隔离区上方的光致抗蚀剂层。
其后，利用该光致抗蚀剂图案作为掩模而选择性地去除位于器件隔离区上方的垫氧化层、垫氮化层和TEOS氧化层。
随后，利用图案化的垫氧化层、图案化的垫氮化层和图案化的TEOS氧化层作为掩模，将器件隔离区的半导体衬底161蚀刻至预定的深度，从而形成沟槽。然后，去除该光致抗蚀剂图案。
其后，将绝缘材料填充到沟槽中，以在该沟槽中形成器件隔离层163。之后，去除图案化的垫氧化层、图案化的垫氮化层和图案化的TEOS氧化层。
连续地，在形成有器件隔离层163的外延层162的整个表面上沉积用于栅绝缘层的绝缘层164和例如硅层的导电层165。
在此，绝缘层164可利用热氧化工艺或化学气相沉积(CVD)工艺而形成。
随后，在导电层165上涂布光致抗蚀剂层。在光致抗蚀剂层上方对准具有预定图案的光掩模之后，利用光掩模将光束照射到该光致抗蚀剂层上。这样，曝光并随后显影该光致抗蚀剂层，以形成将用于限定栅电极的光致抗蚀剂图案150。
之后，利用光致抗蚀剂图案150为掩模将导电层165蚀刻至预定的厚度。
于是，导电层在光致抗蚀剂图案150的下方保持完整，并且未被光致抗蚀剂图案150覆盖的导电层以预定的厚度保留于衬底的整个表面上，以便可以防止半导体衬底在蚀刻工艺中受到损坏。
参考图4B，利用预定的离子例如砷(As)离子、磷(P)离子、硼(B)离子等，在包括预定厚度的保留导电层165的衬底的整个表面上执行离子注入工艺。因此，将所述离子选择性地注入到未被光致抗蚀剂图案150覆盖的导电层165上，从而形成掺杂导电层165a。
由光致抗蚀剂图案150覆盖的导电层165b将通过以下工艺而成为栅电极。
参考图4C，在去除光致抗蚀剂图案150之后，在形成有掺杂导电层165a的衬底161上执行氧化工艺，以便氧化该掺杂导电层165a来形成氧化硅层152。
在氧化工艺中，其上注入了As、P、B离子的掺杂导电层165a的氧化速率，大于将要用作栅电极的导电层165b的氧化速率。因此，利用各层之间的氧化速率差，仅选择性地氧化该掺杂导电层165a，以形成氧化硅层152。
参考图4D，通过湿法蚀刻工艺去除氧化硅层152和形成于其下方的绝缘层164，从而形成栅电极165b和栅绝缘层164。
也就是说，将在去除氧化硅层152之后留下的导电层限定为栅电极165b，并将在湿法蚀刻工艺中图案化的绝缘层限定为栅绝缘层164。
将光致抗蚀剂层涂布在形成有栅电极165b和栅绝缘层164的衬底的整个表面上，并通过曝光和显影工艺将其选择性地图案化以露出各光电二极管区域。其后，利用图案化的光致抗蚀剂层作为掩模，将轻掺杂导电(n型)杂质离子注入到外延层162上，从而在光电二极管区域中形成n型扩散区167。
随后，在包括n型扩散区167的半导体衬底161的整个表面上去除图案化的光致抗蚀剂层并形成绝缘层之后，在所得结构的整个表面上执行回蚀工艺，以在栅电极165b和栅绝缘层164两者的侧面上形成间隔件168。
之后，在包括间隔件168的半导体衬底161的整个表面上涂布光致抗蚀剂层，然后通过曝光和显影工艺将其图案化，以覆盖相应的光电二极管区域但露出每个晶体管的源极/漏极区(在此，浮置扩散区)。之后，利用图案化的光致抗蚀剂层作掩模，将重掺杂的第二导电类型(n型)杂质离子注入到露出的源极/漏极区上，以形成n型扩散区(浮置扩散区)170。
参考图4E，在去除图案化的光致抗蚀剂层之后，在半导体衬底161的整个表面上涂布光致抗蚀剂层，并且随后将其图案化以露出相应的光电二极管。其后，将第一导电类型(p型)杂质离子注入到形成n型扩散区167的外延层162上，从而在外延层162的表面下方形成p型扩散区172。
去除图案化的光致抗蚀剂层，并且在半导体衬底161上执行热处理以扩大杂质扩散区。
图5A至图5G是沿着图2的线I-I′剖开的剖视图，其示出了根据本发明的第二实施例的CMOS图像传感器的制造方法。
参考图5A，执行外延工艺，以在重掺杂p型半导体衬底161上形成轻掺杂p型外延层162。
随后，在半导体衬底161中限定有源区和器件隔离区，然后利用STI工艺在器件隔离区上形成器件隔离层163。
连续地，在形成有器件隔离层163的外延层162的整个表面上沉积用于栅绝缘层的绝缘层164和例如硅层的导电层165。
随后，在导电层165上涂布光致抗蚀剂层。在光致抗蚀剂层上对准具有预定图案的光掩模之后，利用该光掩模将光束照射到该光致抗蚀剂层上。这样，使该光致抗蚀剂层曝光并随后显影，以形成将用于限定栅电极的光致抗蚀剂图案150。
之后，利用光致抗蚀剂图案150作为掩模，将导电层165蚀刻至预定的厚度。
因此，导电层在光致抗蚀剂图案150的下方保持完整，并且未被光致抗蚀剂图案150覆盖的导电层以预定的厚度保留于衬底的整个表面上，以便可以防止半导体衬底在蚀刻工艺中受到损坏。
参考图5B，在具有预定厚度的保留导电层165上形成光致抗蚀剂图案152，以使其覆盖光电二极管区域。
在形成导电层165之后，通过涂布光致抗蚀剂层并利用UV射线通过显影工艺将其硬化，来形成光致抗蚀剂图案152。
利用光致抗蚀剂图案152作为蚀刻掩模，蚀刻露出的导电层165，以去除设置在除光电二极管区域外的区域上的导电层。
参考图5C，去除光致抗蚀剂图案150和光致抗蚀剂图案152，从而仅在光电二极管区域上方形成导电层。
参考图5D，形成光致抗蚀剂图案154，以便仅去除形成于光电二极管区域上方的导电层165。
利用光致抗蚀剂图案154作掩模，通过湿法蚀刻工艺去除形成在光电二极管区域上方的导电层165和氧化层164。由于现有技术中使用干蚀刻工艺，就导致在光电二极管区域的表面上发生离子损坏，而在本发明中，由于通过执行湿法蚀刻工艺可以防止离子损坏，所以就不存在损坏。
其后，参考图5E，去除光致抗蚀剂图案154，以形成栅电极165b和栅绝缘层164。
随后，参考图5F，在形成有栅电极165b和栅绝缘层164的衬底的整个表面上涂布光致抗蚀剂层，并通过曝光和显影工艺将其选择性地图案化以便露出相应的光电二极管区域。其后，利用图案化的光致抗蚀剂层作为掩模，将轻掺杂的导电(n型)杂质离子注入到外延层162上，从而在光电二极管区域中形成n型扩散区167。
随后，在包括n型扩散区167的半导体衬底161的整个表面上去除图案化的光致抗蚀剂层并形成绝缘层之后，在所得结构的整个表面上执行回蚀工艺，以在栅电极165b和栅绝缘层164的侧面上形成间隔件168。
其后，在包括间隔件168的半导体衬底161的整个表面上涂布光致抗蚀剂层，然后通过曝光和显影工艺使其图案化以覆盖相应光电二极管区域但露出每个晶体管的源极/漏极区(在此，浮置扩散区)。之后，利用图案化的光致抗蚀剂层作为掩模将重掺杂的第二导电类型(n型)杂质离子注入到露出的源极/漏极区上，以形成n型扩散区(浮置扩散区)170。
参考图5G，在去除图案化的光致抗蚀剂层之后，在半导体衬底161的整个表面上涂布光致抗蚀剂层，且随后使其图案化以露出相应的光电二极管。其后，将第一导电类型(p型)杂质离子注入到形成n型扩散区167的外延层162上，从而在外延层162的表面下方形成p型扩散区172。去除图案化的光致抗蚀剂层，并在半导体衬底161上方执行热处理，以扩大杂质扩散区。
其后，尽管并未示出，但是在所得结构上形成了多个层间绝缘层和金属互连。然后，形成滤色层和微透镜，从而完成CMOS图像传感器。
如上所述，根据本发明，由于通过湿法蚀刻工艺去除形成于光电二极管区域上方的氧化层或绝缘层，所以可以防止由现有技术中的干法蚀刻工艺而导致在光电二极管区域的表面上发生的离子损坏。
另外，根据本发明，有利的是可以防止半导体衬底的损坏，因为氧化层形成于光电二极管区域上方并通过湿法蚀刻工艺去除。
因此，本发明提供了下述有益效果，即可以防止用于光电二极管的单位像素的暗电流增加，并改善CMOS图像传感器的低光性能。
对本领域的技术人员而言，显而易见的是，可以对本发明进行各种修改和变化。因此，这意味着，本发明覆盖在所附权利要求书及其等同的范围内的所有修改和变化。
Claims (5)
1.一种互补金属氧化物半导体图像传感器的制造方法，该方法包括：
制备其中限定有光电二极管区域和晶体管区域的半导体衬底；
在该半导体衬底的整个表面上顺序地形成绝缘层和导电层；
在该导电层上形成光致抗蚀剂图案；
利用该光致抗蚀剂图案作为掩模，将该导电层蚀刻至预定的厚度；
在蚀刻后的导电层上执行离子注入工艺以形成掺杂导电层；
在包括该掺杂导电层的所得结构上执行氧化工艺，用以氧化该掺杂导电层以形成氧化层；以及
利用湿法蚀刻工艺去除该氧化层和设置于其下方的绝缘层，以限定栅电极和栅绝缘层。
2.根据权利要求1的方法，还包括：
通过在形成有栅电极和栅绝缘层的所得结构上执行离子注入工艺，在光电二极管区域中形成第一扩散区；
在该栅电极和该栅绝缘层两者的侧壁上形成间隔件；
通过在形成有间隔件的所得结构上执行离子注入工艺，在晶体管区域中形成第二扩散区；和
通过在形成有第二扩散区的所得结构上执行离子注入工艺，在第一扩散区中形成第三扩散区。
3.根据权利要求1所述的方法，其中利用选自由砷离子、磷离子和硼离子构成的群组中的离子，执行用于形成该掺杂导电层的离子注入工艺。
4.一种互补金属氧化物半导体图像传感器的制造方法，该方法包括：
制备形成有光电二极管区域和晶体管区域的半导体衬底；
在该半导体衬底的整个表面上顺序地形成绝缘层和导电层；
在该导电层上形成第一光致抗蚀剂图案；
利用该第一光致抗蚀剂图案作为掩模，将导电层蚀刻到预定的厚度；
在蚀刻后的导电层上形成第二光致抗蚀剂图案，以覆盖该光电二极管区域；
利用该第二光致抗蚀剂图案来蚀刻该导电层和该绝缘层，以留下保留于光电二极管区域上方的导电层和绝缘层；
去除第一和第二光致抗蚀剂图案；
形成第三光致抗蚀剂图案，仅露出光电二极管区域；以及
通过湿法蚀刻工艺利用该第三光致抗蚀剂图案去除形成于光电二极管区域上方的导电层和氧化层，以在晶体管区域中限定栅电极和栅绝缘层。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括：
通过在形成有栅电极和栅绝缘层的所得结构上执行离子注入工艺，在光电二极管区域中形成第一扩散区；
在该栅电极和该栅绝缘层两者的侧壁上形成间隔件；
通过在形成有间隔件的所得结构上执行离子注入工艺，在晶体管区域中形成第二扩散区；和
通过在形成有第二扩散区的所得结构上执行离子注入工艺，在第一扩散区中形成第三扩散区。
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