CN100499149C - 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CMOS图像传感器。该CMOS图像传感器包括：栅电极，其通过将栅极绝缘层夹在该栅电极与第一导电半导体衬底的有源区之间而在该第一导电性半导体衬底的有源区上形成，该半导体衬底上限定光电二极管区和晶体管区；低密度第二导电扩散区，其在该栅电极的第一侧的光电二极管区上形成；高密度第二导电扩散区，其在该栅电极的第二侧的晶体管区上形成；绝缘层，其在该栅电极的两侧的半导体衬底上形成，并且厚度比该栅电极的厚度小；以及绝缘层侧壁，其在该栅电极的两侧形成。
Description
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。
背景技术
一般来说，图像传感器是一种用于将光学图像转化为电信号的半导体器件，并大体上分成电荷耦合器件(CCD)和CMOS图像传感器。
CCD具有多个光电二极管(PD)，这些光电二极管以矩阵的形式设置以将光信号转化为电信号。CCD包括：多个竖直电荷耦合器件(VCCD)，它们竖直地设置在以矩阵设置的光电二极管之间，以在各光电二极管产生电荷时沿竖直方向输送电荷；多个水平电荷耦合器件(HCCD)，它们沿水平方向输送从VCCDs输送来的电荷；以及读出放大器，其通过读出沿水平方向输送的电荷而输出电信号。
但是，这种CCD具有很多缺点，例如驱动模式复杂、能量消耗大等。并且，CDD需要多个光处理步骤，因而制造CCD的工艺很复杂。
另外，由于难以将控制器、信号处理器和模/数转换器(A/D转换器)集成到CCD的单个芯片上，所以CCD不适用于尺寸紧凑的产品。
近来，CMOS图像感应器作为能够解决CCD的问题的下一代图像感应器引起关注。
CMOS图像传感器是一种应用切换模式、通过MOS晶体管连续检测各单位像素的输出的器件，其中MOS晶体管通过使用诸如控制器和信号处理器之类的外围设备的CMOS技术，在与单位像素相对应的半导体衬底上形成。
也就是说，CMOS图像传感器包括位于每一个单位像素内的光电二极管和MOS晶体管，并以切换模式顺序地检测每一个单位像素的电信号，从而获得图像。
因为CMOS图像传感器利用了CMOS技术，所以CMOS图像传感器具有以下优点：例如能量消耗小，并且由于具有相对较少的光处理步骤从而制造工艺简单。
另外，由于控制器、信号处理器和A/D转换器可以集成到CMOS图像传感器的单个芯片上，因此CMOS图像传感器可以使产品尺寸紧凑。
所以，CMOS图像传感器可扩展地应用于多种用途，例如数码相机和数码摄像机等。
同时，CMOS图像传感器根据晶体管的数目分为3T型、4T型和5T型CMOS图像传感器。3T型CMOS图像传感器包括一个光电二极管和三个晶体管，4T型CMOS图像传感器包括一个光电二极管和四个晶体管。
4T型CMOS图像传感器的单位像素的布局如下：
图1为示出根据现有技术的4T型CMOS图像传感器的等效电路图，图2为示出根据现有技术的4T型CMOS图像传感器的单位像素的布图。
如图1所示，CMOS图像传感器的单位像素100包括四个晶体管和作为光电子器件的光电二极管10。
这里，四个晶体管包括转移晶体管20、复位晶体管30、驱动晶体管40和选择晶体管50。另外，每一个单位像素100的输出端子OUT电连接至负载晶体管60。
参考字符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、驱动晶体管的栅极电压、以及选择晶体管的栅极电压。
如图2所示，CMOS图像传感器的单位像素具有：有源区，其在该单位像素上限定；以及隔离层，其在除了有源区以外的、单元像素的预定区域上形成。光电二极管PD在有源区的较宽的区域内形成，并且四个晶体管的栅极23、33、43和53与有源区的其余区域重叠。
也就是说，第一栅极23与转移晶体管20结合，第二栅极33与复位晶体管30结合，第三栅极43与驱动晶体管40结合，以及第四栅极53与选择晶体管50结合。
将掺杂剂注入除了栅极23、33、43和53的下部以外的、各晶体管的有源区中，以便形成晶体管的源极/漏极(S/D)区。
图3a到图3e为沿图2的I-I′线的剖视图，其示出了根据现有技术用于制造CMOS图像传感器的过程。
如图3a所示，对高密度P++半导体衬底61进行外延工艺，从而形成低密度P-外延层62。
然后，在半导体衬底61上限定有源区和隔离区之后，通过STI(浅槽隔离)工艺或LOCOS工艺在隔离区上形成隔离层63。
另外，在形成有隔离层63的外延层62的整个表面上依次沉积栅极绝缘层64和导电层65a(如高密度多晶硅层)。
之后，在导电层65a上涂覆第一光致抗蚀膜66，然后通过曝光和显影工艺图案化第一光致抗蚀膜66，从而限定栅极区。
接着如图3b所示，通过使用图案化的第一光致抗蚀膜66作为掩模，选择性地去除导电层65a和栅极绝缘层64，从而形成栅电极65。
然后如图3c所示，去除第一光致抗蚀膜66，并在包括栅电极的半导体衬底61的整个表面上涂覆第二光致抗蚀膜67。之后，通过曝光和显影工艺选择性地图案化第二光致抗蚀膜67，从而可以露出光电二极管区。
另外，将低密度n-型掺杂剂注入露出的光电二极管区，从而形成低密度n-型扩散区68。
这里，低密度n-型扩散区68以高能量很深地形成，以提高图像传感器的敏感度。
低密度n-型扩散区68是复位晶体管的源极区(如图1和图2所示的Rx)。
然后，如图3d所示，完全去除第二光致抗蚀膜67，并且在包括栅电极65的半导体衬底61的整个表面上形成氮化硅(SiN)层。在这种情况下，对半导体衬底61的整个表面进行回蚀工艺，从而在栅电极65的两侧形成绝缘层侧壁69。
之后，在半导体衬底61的整个表面上涂覆第三光致抗蚀膜70，然后通过曝光和显影工艺选择性地图案化第三光致抗蚀膜70，从而限定源极/漏极区。
另外，通过使用图案化的第三光致抗蚀膜70作为掩模，将高密度n+型掺杂剂注入露出的源极/漏极区，从而形成高密度n+型扩散区71。
之后，如图3e所示，去除第三光致抗蚀膜70，并对半导体衬底61进行热处理工艺(例如，快速热处理)，从而将掺杂剂扩散到n-型扩散区68和n+型扩散区71中。
然而，制造CMOS图像传感器的传统方法存在以下问题。
如果栅极通过CMOS制造方法形成，则在用于图案化栅极的蚀刻工艺期间，会对光电二极管的表面产生损坏，从而使光电二极管产生暗电流。
也就是说，在形成栅电极和绝缘层侧壁时，会在半导体衬底的表面上产生损坏。另外，因为绝缘层侧壁是由氮化硅层制成的，因此半导体衬底表面由于氮化硅而受到压力，从而产生漏电流，由此降低了图像传感器的性能。
发明内容
本发明用于解决现有技术中出现的问题，并且本发明的目的是提供一种图像传感器及其制造方法，其能够防止在形成栅电极和绝缘层侧壁时对半导体衬底产生损坏。
为了达到上述目的，本发明提供一种CMOS图像传感器，其包括：栅电极，其通过将栅极绝缘层夹在该栅电极与第一导电半导体衬底的有源区之间而在该第一导电半导体衬底的有源区上形成，该半导体衬底上限定光电二极管区和晶体管区；低密度第二导电扩散区，其在该栅电极的第一侧的光电二极管区上形成；高密度第二导电扩散区，其在该栅电极的第二侧的晶体管区上形成；绝缘层，其在该栅电极的两侧的半导体衬底上形成，并且其厚度小于该栅电极的厚度；以及绝缘层侧壁，其在该栅电极的两侧形成。
本发明还提供一种制造CMOS图像传感器的方法。该方法包括以下步骤：在第一导电半导体衬底上形成绝缘层，该半导体衬底上限定光电二极管区和晶体管区；通过选择性地去除该绝缘层以露出该半导体衬底表面的预定部分，从而限定栅极区；在露出的该半导体衬底表面上形成栅极绝缘层，其中，所述绝缘层的厚度大于所述栅极绝缘层的厚度；在该半导体衬底的整个表面上形成导电层，并且通过采用该绝缘层的顶面作为终点将该导电层平坦化，从而在该栅极绝缘层上形成栅电极；减小该绝缘层在该栅电极的两侧的厚度；在该栅电极的两侧形成绝缘层侧壁；在该栅电极的第一侧的光电二极管区上形成低密度第二导电扩散区；以及在该栅电极的第二侧的晶体管区上形成高密度第二导电扩散区。
附图说明
图1为示出根据现有技术的4T型CMOS图像传感器的等效电路图；
图2为根据现有技术的4T型CMOS图像传感器的单位像素的布图；
图3a到图3e为沿图2的I-I′线的剖视图，其示出了根据现有技术用于制造CMOS图像传感器的过程；
图4为示出根据本发明的CMOS图像传感器的结构的剖视图；以及
图5a到图5h为沿图2的I-I′线的剖视图，其示出了根据本发明用于制造CMOS图像传感器的过程。
具体实施方式
在下文中，将参考所附的附图描述根据本发明的CMOS图像传感器及其制造方法。
图4为示出根据本发明的CMOS图像传感器的结构的剖视图。
如图4所示，CMOS图像传感器包括：p-型外延层102，其形成在p++型导电半导体衬底101上，该半导体衬底101上限定光电二极管区和晶体管区；间隔层103，其在场区(field area)上形成以限定半导体衬底101的有源区；栅电极107，其通过将栅极绝缘层106夹在半导体衬底101的有源区与栅电极107之间而在半导体衬底101的有源区上形成；低密度n-型扩散区109，其在栅电极107的一侧的光电二极管区内形成；高密度n+型扩散区112，其在栅电极107的另一侧的晶体管区内形成；绝缘层104，其在栅电极107的两侧的半导体衬底101上形成，并且其厚度小于栅电极107的厚度；以及绝缘层侧壁110，其包括氧化物层，并在栅极107的两侧形成。
图5a到图5h为沿图2的I-I′线的剖视图，其示出了根据本发明用于制造CMOS图像传感器的过程。
如图5a所示，对半导体衬底101进行外延工艺，从而在包括第一导电(p++型)单晶硅的半导体衬底101上形成低密度第一导电(p-型)外延层102。
外延层102使耗尽区在光电二极管内加宽和加深。因而，可以提高收集光电荷的低电压光电二极管的性能，并且可以提高光敏感性(photosensitivity)。
同时，还可以在n型衬底上形成p型外延层。
然后，在具有用于器件隔离目的的外延层的半导体衬底101上形成隔离层103。
虽然图中未示出，但形成隔离层103的工艺如下：
首先，在半导体衬底上顺序形成焊盘氧化物层、焊盘氮化物层和TEOS(正硅酸四乙脂)氧化物层。然后，在TEOS氧化物层上形成光致抗蚀膜。
之后，通过使用限定有源区和隔离区的掩模，对光致抗蚀膜进行曝光和显影，从而图案化光致抗蚀膜。这时，在隔离层上形成的光致抗蚀膜被去除。
然后，通过使用图案化的光致抗蚀膜作为掩模，选择性地去除在隔离区上形成的焊盘氧化物层、焊盘氮化物层和TEOS氧化物层。
接下来，使用图案化的焊盘氧化物层、焊盘氮化物层和TEOS氧化物层作为蚀刻掩模，对半导体衬底的隔离区蚀刻至预定深度，从而形成沟槽。之后，完全去除光致抗蚀膜。
在具有沟槽的衬底的整个表面上浅浅地形成牺牲氧化物层，并且以O3TEOS层填充沟槽的方式，在衬底上形成O3TEOS层。该O3TEOS层是在大约1000℃或更高的温度条件下形成的。
之后，通过进行CMP(化学机械抛光)工艺去除O3TEOS层，以使O3TEOS层仅保留在沟槽区中，从而在沟槽中形成隔离层103。之后，除去焊盘氧化物层、焊盘氮化物层和TEOS层。
下一步，在具有隔离层103的外延层102的整个表面上形成绝缘层104，并且在绝缘层104上涂覆第一光致抗蚀膜105。在这种情况下，通过曝光和显影工艺选择性地图案化第一光致抗蚀膜105，从而限定栅极区。
接下来如图5b所示，通过使用图案化的第一光致抗蚀膜105作为掩模，选择性地去除绝缘层104，从而露出栅极区。
之后，如图5c所示，去除第一光致抗蚀层105，并且在半导体衬底的表面上形成栅极绝缘层106。然后，在包括栅极绝缘层106的半导体衬底101的整个表面上形成导电层107a(例如，高密度多晶硅层)。
这里，栅极绝缘层106可以通过热氧化工艺或CVD工艺形成。
接着如图5d所示，对半导体衬底101的整个表面进行CMP工艺，从而在排列于绝缘层104之间的栅极绝缘层106上形成栅电极107。这时，绝缘层104的顶面作为CMP工艺的终点(end point)。
另外，栅电极107是转移晶体管的栅电极。
之后，如图5e所示，通过使用栅电极107作为蚀刻掩模进行回蚀工艺或者单独蚀刻工艺(separate etching process)，从而从绝缘层104的表面去除预定厚度的绝缘层104。
这时，剩余的绝缘层104的厚度大约相当于栅电极107的厚度的50％。
之后，如图5f所示，在包括栅电极107的半导体衬底101的整个表面上涂覆第二光致抗蚀膜108。通过曝光和显影工艺选择性地图案化第二光致抗蚀膜108，以使每一个光电二极管区均可以露出。
另外，通过使用图案化的第二光致抗蚀膜108作为掩模，将低密度第二导电(n-型)掺杂剂注入到露出的光电二极管区中，从而形成低密度n-型扩散区109。
之后，如图5g所示，完全去除第二光致抗蚀膜108，并在半导体衬底101的整个表面上形成氧化物层。另外，对半导体衬底101的整个表而进行回蚀工艺，从而在栅电极107的两侧形成绝缘层侧壁110。
然后，在半导体衬底101的整个表面上涂覆第三光致抗蚀膜111，随后通过曝光和显影工艺图案化该第三光致抗蚀膜111，从而露出每一个晶体管的源极/漏极区。
之后，通过使用图案化的第三光致抗蚀膜111作为掩模，将高密度n+型掺杂剂注入露出的源极/漏极区，从而在半导体衬底101的表面上形成高密度n+型扩散区112(浮置扩散区)。
这时，高密度n+型掺杂剂含有As离子，并且以大约80keV的离子注入能量注入大约4E15的剂量。
之后，如图5h所示，去除第三光致抗蚀膜111，并对半导体衬底进行热处理工艺(例如，快速热处理)，从而使掺杂剂在n-型扩散区109和n+型扩散区112内扩散。
本领域的技术人员应清楚的是，可以对本发明进行各种修改和变型。因而，本发明旨在覆盖落入所附的权利要求及其等同范围内的本发明的所有修改和变型。
如上所述，CMOS图像传感器及其制造方法具有如下的优点。
首先，由于栅电极是通过CMP工艺形成的，因此可以减小对形成有光电二极管的衬底的损坏，防止光电二极管的表面产生暗电流，从而提高图像传感器的特性。
其次，由于绝缘层侧壁含有氧化物，因此可以减小施加至衬底的压力，从而可以减小衬底表面的漏电流。
第三，由于绝缘层以较厚的厚度保留在光电二极管上，因而可以省略沉积抗硅化层的工艺，从而简化制造工艺。
当浮置扩散区变大时，CMOS图像传感器的电容变高，因而可以减小由光电二极管产生的噪声。
Claims (9)
1.一种CMOS图像传感器，其包括：
栅电极，其通过将栅极绝缘层夹在该栅电极与第一导电半导体衬底的有源区之间而在该第一导电半导体衬底的有源区上形成，该半导体衬底上限定光电二极管区和晶体管区；
低密度第二导电扩散区，其在该栅电极的第一侧的光电二极管区上形成；
高密度第二导电扩散区，其在该栅电极的第二侧的晶体管区上形成；
绝缘层，其在该栅电极的两侧的半导体衬底上形成，并且其厚度小于该栅电极的厚度；以及
绝缘层侧壁，其在该栅电极的两侧形成。
2.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中，该绝缘层的厚度相当于该栅电极的厚度的50％。
3.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中，该绝缘层侧壁含有氧化物。
4.一种制造CMOS图像传感器的方法，该方法包括以下步骤：
在第一导电半导体衬底上形成绝缘层，该半导体衬底上限定光电二极管区和晶体管区；
通过选择性地去除该绝缘层以露出该半导体衬底表面的预定部分，从而限定栅极区；
在露出的该半导体衬底表面上形成栅极绝缘层，其中，所述绝缘层的厚度大于所述栅极绝缘层的厚度；
在该半导体衬底的整个表面上形成导电层，并且通过采用该绝缘层的顶面作为终点将该导电层平坦化，从而在该栅极绝缘层上形成栅电极；
减小该绝缘层在该栅电极的两侧的厚度；
在该栅电极的两侧形成绝缘层侧壁；
在该栅电极的第一侧的光电二极管区上形成低密度第二导电扩散区；以及
在该栅电极的第二侧的晶体管区上形成高密度第二导电扩散区。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，部分地去除该绝缘层，以使该绝缘层的厚度相当于该栅电极的厚度的50％。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，该绝缘层侧壁是在将氧化物沉积在该衬底的整个表面之后，通过进行回蚀工艺形成的。
7.根据权利要求4所述的方法，其中，该栅极绝缘层通过热氧化工艺或CVD工艺形成。
8.根据权利要求4所述的方法，其中，该高密度第二导电扩散区是通过以80keV的离子注入能量注入4E15剂量的As离子形成的。
9.根据权利要求4所述的方法，其中，用于形成该栅电极的平坦化工艺包括化学机械抛光工艺。
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