CN100539170C - Cmos图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种CMOS图像传感器。该CMOS图像传感器包括半导体衬底、光电二极管、第一导电型杂质区、第一绝缘层、导电层和第二绝缘层。该半导体衬底具有沟槽，该沟槽中待形成器件隔离层。该光电二极管形成在该半导体衬底的有源区中，该第一导电型杂质区形成在该沟槽的侧壁中。该第一绝缘层形成在该沟槽内，该导电层形成在该沟槽内并掺杂有第二导电型杂质。该第二绝缘层形成在该沟槽内。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体器件，尤其涉及一种互补型金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器及其制造方法。
背景技术
一般来说，图像传感器是一种用于将光学图像转换为电信号的半导体器件。图像传感器分成电荷耦合器件(CCD)和CMOS图像传感器。
近来，CMOS图像传感器作为用于克服CCD的缺点的下一代图像传感器引起人们的关注。
CMOS图像传感器是这样一种器件，其通过使用控制电路和信号处理电路作为外围电路的CMOS技术，使MOS晶体管的数量形成为与半导体衬底上的单位像素的数量一样多，从而使用MOS晶体管连续检测每一个单位像素的输出。
也就是说，CMOS图像传感器在单位像素内提供光电二极管和MOS晶体管，以切换模式(switching mode)连续检测每一个单位像素的电信号，从而获得图像。
现将参考所附的附图描述普通CMOS图像传感器。
图1为普通3T型图像传感器的等效电路图。
参考图1，普通3T型CMOS图像传感器的单位像素包括：一个光电二极管(PD)，其接收光并将光转换为电信号(光-电荷)；以及三个nMOS晶体管T1、T2和T3，它们输出PD上产生的光-电荷(photo-charge)。
也就是说，PD的负极与第一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nMOS晶体管T1和第二nMOS晶体管T2的源极与电源线连接，其中通过该电源线提供参考电源VR。第一nMOS晶体管T1的栅极与复位线连接，其中通过该复位线提供复位信号RST。
此外，第三nMOS晶体管T3的源极与第二nMOS晶体管T2的漏极连接，并且第三nMOS晶体管T3的漏极经由信号线与读出电路(未示出)连接。第三nMOS晶体管T3的栅极与热选择线(heat selection line)连接，其中通过该热选择线提供选择信号SLCT。
所以，第一nMOS晶体管T1称为复位晶体管Rx，第二nMOS晶体管T2称为驱动晶体管Dx，第三nMOS晶体管T3称为选择晶体管Sx。
图2为示出普通3T型CMOS图像传感器的单位像素的布局图。
参考图2，3T型CMOS图像传感器的单位像素包括有源区10。在有源区10的较宽部分上形成一个PD100，并且在有源区10的其它部分上形成彼此交叠的三个晶体管的栅电极120、130和140。
也就是说，复位晶体管Rx是通过栅电极120形成的，驱动晶体管Dx是通过栅电极130形成的，选择晶体管Sx是通过栅电极140形成的。
这里，将杂质离子注入到每一个晶体管的有源区10中除了各栅电极120、130和140的下部以外的部分，从而形成每一个晶体管的源极/漏极区域。
所以，将电源电压Vdd施加到复位晶体管Rx与驱动晶体管Dx之间的源极/漏极区域。选择晶体管Sx的一侧上的源极/漏极区域与读出电路(未示出)连接。
虽然未在图2中示出，但栅电极120、130和140与各自的信号线连接。每一个信号线的一端均具有焊盘，并连接到外部驱动电路。
三个PD构成一个像素，并且三个PD中的每一个PD均具有上述的结构。也就是说，在三个光电二极管上分别形成红、绿、蓝滤色镜，从而构成一个像素。
当接受更大量的光时，PD的光敏性会上升。因而，PD的填充系数应该增加以提高光敏性。但是，当PD的填充系数增加时，驱动电路的区域将相应地减小。所以，PD的填充系数的增加是有限制的。
所以，在PD上形成微透镜，从而可以有提高微透镜的聚光性和简化工艺的效果。
同时，始终存在于CMOS图像传感器中的暗电流使PD起到以下作用：PD好像在甚至没有光的区域中也接受光，从而导致出现白像素(white pixel)这个无法解决的问题。
这个问题是由于形成PD的半导体衬底的上界面存在的缺陷所产生的电子而导致的。因而，正在开发用于去除对界面中的信号不起任何作用的电子的各种方法。
同样，当由浅槽隔离层(STI)的氧化物层与PD的侧壁之间的界面缺陷产生不期望的电子时，产生了暗电流。
现将详细描述现有技术CMOS图像传感器中的器件隔离层和PD区域。
图3是示出现有技术CMOS图像传感器的PD区域的剖面图。
参考图3，现有技术的CMOS图像传感器包括在器件隔离区中形成的器件隔离层13。器件隔离层13在p-型半导体衬底10中限定有源区。在半导体衬底10的有源区内形成多个PD11。
另外，在包含PD11的半导体衬底10的整个表面的上方形成层间绝缘层14。在层间绝缘层14中形成多个金属线。
在PD区域上部的层间绝缘层14上形成获得彩色图像(color image)的红、绿、蓝滤色镜15。在包含滤色镜15的衬底的整个表面上形成覆盖层(overcoat layer)16。另外，在位于滤色镜15上的覆盖层16上形成微透镜17。
这里，微透镜17是通过掺杂光致抗蚀剂图案，并图案化光致抗蚀剂图案使其保留在PD11的上方而得到的。通过烘烤(bake)在光致抗蚀剂上进行回流工艺，从而获得微透镜17所期望的曲率。
每一个微透镜17均起到将入射光会聚到相应的PD11的重要作用。
以下将详细说明在具有上述结构的现有技术CMOS图像传感器中的PD区域。
图4为现有技术的PD区域的详细剖视图。
首先，基本的PD具有如下结构。形成P-N结，以便在该P-N结内产生耗尽区。当耗尽区接受光时，产生电子-空穴对。CMOS图像传感器仅输出电子-空穴对的电子以作为图像信号。
参考图4，在现有技术的CMOS图像传感器中，p-型半导体衬底10(通过在半导体衬底上生长p-型外延层而形成)的器件隔离区被蚀刻预定深度以形成沟槽。通过将诸如氧化物层之类的绝缘层填充到沟槽而形成器件隔离层13。
并且，通过将P或As离子注入到有源区中形成n-型杂质区21。之后，通过将p-型杂质离子注入到n-型杂质区21的表面中形成p-型杂质区22。
p-型杂质区22旨在通过在半导体衬底的表面上形成具有许多空穴的p-型杂质区，去除半导体衬底10的表面上产生的电子。通过这种结构，由半导体衬底10的表面上存在的缺陷所产生的电子从表面移动到PD，从而产生不期望的信号。已移动到PD的所产生的电子与p-型杂质区的空穴重新结合，从而去除半导体衬底10的表面上产生的电子。
并且，通过将硼基离子(例如，B+或BF2+)注入到器件隔离层13的侧壁而形成p-型杂质区24，以使存在于器件隔离层13的侧壁上的电子与p-型杂质区24的空穴重新结合。
以下将详细说明用于形成p-型杂质区24的方法。
图5a和图5b为解释根据现有技术用于形成p-型杂质区24的过程的剖视图。
参考图5a，为了形成器件隔离层13，在p-型半导体衬底10上形成光致抗蚀剂层图案30(或氮化物层图案)，以使器件隔离区露出。使用反应离子蚀刻(RIE)工艺将半导体衬底10的器件隔离区蚀刻预定深度，从而形成沟槽31。
参考图5b，通过使用倾斜离子注入将硼基离子(例如，B+或BF2+)注入沟槽31的侧壁，从而在沟槽31的侧壁中形成p-型杂质区24。如上所述，通过将诸如氧化物层之类的绝缘层填充到沟槽，从而形成器件隔离层。
图6是示出沿图5b的I-I′线测得的硼的浓度，图7为解释现有技术的CMOS图像传感器的问题的电势分布图。
如上所述，由于p-型杂质区24在器件隔离层13的侧壁中形成，因此，由器件隔离层13的侧壁缺陷产生的电子50大多数都与空穴55重新结合，从而被去除，如图6所示。
但是，上述现有技术的CMOS图像传感器存在以下问题。
也就是说，参考图7，由于PD11的n-型杂质区21处的电势较高，因此，由器件隔离层13的侧壁缺陷产生的电子50的一部分滞留(drag)在PD区域，导致产生暗电流的可能性很高。
由这种暗电流产生了白像素。
发明内容
因而，本发明旨在提供一种CMOS图像传感器及其制造方法，其基本上消除由于现有技术的局限性和缺点所产生的一个或多个问题。
本发明的目的是提供一种CMOS图像传感器及其制造方法，其能够通过使电子不会从在器件隔离层的侧壁中形成的杂质区移动到PD，从而防止产生暗电流。
本发明的其他优点、目的和特征将在后面的说明书中部分地阐述，并且对于本领域的技术人员在研究了下面的内容之后会部分地变得清楚，或者可以从本发明的实施中学会。本发明的目的和其他优点可以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而实现和获得。
为了实现本发明的目的和其他优点，正如在此具体实施并广泛描述的，本发明提供一种互补型金属氧化物半导体图像传感器，其包括：半导体衬底，其具有沟槽，该沟槽中待形成器件隔离层；光电二极管，其形成在该半导体衬底的有源区中；第一导电型杂质区，其形成在该沟槽的侧壁中；第一绝缘层，其形成在该沟槽的底部的表面上以及该沟槽的侧壁处的第一导电型杂质区的表面上；导电层，其形成在该沟槽的侧壁处的该部分该第一绝缘层上，并掺杂有第二导电型杂质；以及第二绝缘层，其填充在该沟槽内。
本发明的另一个方案提供一种用于制造互补型金属氧化物半导体图像传感器的方法，该方法包括以下步骤：在半导体衬底中形成沟槽；在该沟槽的侧壁中形成第一导电型杂质区；在该沟槽的底部的表面上以及该第一导电型杂质区的侧壁上形成第一绝缘层；在该沟槽的侧壁处的该部分该第一绝缘层上形成掺杂有第二导电型杂质的导电层；在该沟槽内填充第二绝缘层；平坦化该第二绝缘层；以及在该半导体衬底的有源区中形成光电二极管。
应当理解的是，本发明的以上概括性说明和以下的具体说明都是示范性和说明性的，并且旨在提供对所请求的本发明的进一步解释。
附图说明
所包含的附图提供了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，所述的附图示出了本发明的实施例，并与文字描述一起用于解释本发明的原理。在附图中：
图1为普通3T型CMOS图像传感器的等效电路图；
图2为示出普通3T型CMOS图像传感器的单位像素的布局图；
图3是示出现有技术的CMOS图像传感器的PD区域的剖面图；
图4为现有技术的PD区域的详细剖视图；
图5a和图5b为解释根据现有技术用于形成p-型杂质区24的过程的剖视图；
图6是示出沿图5b的I-I′线测得的硼的浓度；
图7为解释现有技术的CMOS图像传感器的问题的电势分布图；
图8a到图8e为示出根据本发明在CMOS图像传感器的器件隔离层中形成杂质区的过程，以及器件隔离层的侧壁的剖视图；
图9为p-型杂质区、热氧化层和掺杂有图8e的n-型杂质的多晶硅图案的剖面图；以及
图10是示出沿图9的II-II′线的电势分布图。
具体实施方式
现将详细参考本发明的优选实施例进行说明，其实例在所附的附图中示出。
图8a到图8e是解释根据本发明用于形成CMOS图像传感器的方法的图。
图8a到图8e示出根据本发明在器件隔离层的侧壁中形成杂质区的过程，以及CMOS图像传感器的器件隔离层的侧壁。
根据本发明的CMOS图像传感器中的光电二极管、滤色镜和微透镜的基本结构与现有技术中这些部件的基本结构相同，并且本发明的特征在于在器件隔离层以及器件隔离区的侧壁中形成的杂质区。所以，将省略对相同部件的描述，并将描述用于在器件隔离层和器件隔离层的侧壁中形成杂质区的方法以及杂质区的结构。
参考图8a，为了形成器件隔离层，在p-型半导体衬底100上形成光致抗蚀剂层图案101(或氮化物层图案)，以使器件隔离区露出。使用反应离子蚀刻(RIE)工艺对半导体衬底100的器件隔离区蚀刻预定深度，以形成沟槽102。
参考图8b，通过使用倾斜离子注入将硼基离子(例如，B+或BF2+)注入沟槽102的侧壁中，从而在沟槽102的侧壁中形成p-型杂质区103。
参考图8c，在去除光致抗蚀剂层101后，在包含沟槽102的衬底的整个表面的上方形成热氧化层104，并且在热氧化层104上形成掺杂n-型杂质(例如，As)的多晶硅层105。
这里，掺杂多晶硅105的n-型杂质的浓度的适宜范围为1018-1019个原子/cm3。过大的浓度会引起侧壁的耗尽，从而在器件之间产生漏电流的流动。
参考图8d，掺杂n-型杂质的多晶硅层105被各向异性蚀刻(例如，RIE)，以在沟槽102的侧壁上保留n-型杂质多晶硅图案105a。
也就是说，通过各向异性蚀刻去除在沟槽102的下部形成的多晶硅层105的一部分和在热氧化层104上形成的多晶硅层105的一部分。
所以，掺杂n-型杂质的多晶硅层105a保留在沟槽102的侧壁上。
参考图8e，在包含掺杂有n-型杂质的多晶硅图案105a的衬底的整个表面上沉积诸如CVD氧化层之类的绝缘层106，以使沟槽102被绝缘层106充分地填充。
并且，利用化学机械抛光(CMP)将绝缘层106和热氧化层104去除，以使绝缘层106和热氧化层104仅保留在沟槽102中，从而形成器件隔离层104a、105a和106a。另外，如现有技术所述，将n-型杂质离子注入到由器件隔离层所限定的有源区中以形成PD，并且，进行在PD的表面上形成p-型杂质区的额外工艺。
图9为p-型杂质区103、热氧化层104a和掺杂有图8e的n-型杂质的多晶硅图案105a的剖面图，图10为示出沿图9的II-II′线的电势分布图。
参考图9和图10，在根据本发明的CMOS图像传感器中，掺杂有n-型杂质的多晶硅图案105a使夹设热氧化层104a的器件隔离层侧壁的电势升高(电子的能量降低)。
所以，由器件隔离层的侧壁缺陷产生的电子的一部分不会滞留在PD区域，而是黏附于器件隔离层的侧壁上。
本领域的技术人员应该清楚的是，可以对本发明进行多种修改和变型。因此，本发明旨在覆盖落入所附的权利要求书及其等同范围内的本发明的所有修改和变型。
Claims (14)
1.一种互补型金属氧化物半导体图像传感器，其包括：
半导体衬底，其具有沟槽，该沟槽中待形成器件隔离层；
光电二极管，其形成在该半导体衬底的有源区中；
第一导电型杂质区，其形成在该沟槽的侧壁中；
第一绝缘层，其形成在该沟槽的底部的表面上以及该沟槽的侧壁处的第一导电型杂质区的表面上；
导电层，其形成在该沟槽的侧壁处的部分该第一绝缘层上，并掺杂有第二导电型杂质；以及
第二绝缘层，其填充在该沟槽内。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，该导电层形成于该第一导电型杂质区与该第二绝缘层之间的部分。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，该第一绝缘层形成在该第一导电型杂质区与该导电层之间。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，该导电层是掺杂有As的多晶硅层。
5.根据权利要求4所述的图像传感器，其中，该导电层通过去除该多晶硅层的一部分而被图案化。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，该第一导电型杂质区包括注入的硼-基杂质离子。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，该第一绝缘层是热氧化层，该第二绝缘层是由化学气相沉积形成的氧化物层。
8.一种用于制造CMOS图像传感器的方法，该方法包括以下步骤：
在半导体衬底中形成沟槽；
在该沟槽的侧壁中形成第一导电型杂质区；
在该沟槽的底部的表面上以及该第一导电型杂质区的侧壁上形成第一绝缘层；
在该沟槽的侧壁处的部分该第一绝缘层上形成掺杂有第二导电型杂质的导电层；
在该沟槽内填充第二绝缘层；
平坦化该第二绝缘层；以及
在该半导体衬底的有源区中形成光电二极管。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，该第一导电型杂质区通过将硼-基杂质离子注入到该沟槽的侧壁中而形成。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，形成该导电层的步骤包括：
在该半导体衬底和该第一导电型杂质区上形成多晶硅层；以及
各向异性蚀刻在该沟槽内形成的多晶硅层的一部分，以在该沟槽的侧壁上留下多晶硅图案。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，该多晶硅层掺杂有As。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，As的掺杂浓度在1018-1019个原子/cm3的范围内。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，各向异性蚀刻该多晶硅层的一部分的步骤包括去除在该沟槽的下部上形成的多晶硅层的一部分。
14.根据权利要求8所述的方法，其中，该第一绝缘层包括热氧化层。
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