CN100544013C - 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。在示例性实施方式中，CMOS图像传感器包括：场区以及有源区，第二导电底区，第一导电阱区，第二导电顶区，以及第一导电高浓度区。场区以及有源区是在第一导电半导体衬底中形成的。第二导电底区具有在部分有源区中的第一深度。第一导电阱区形成在有源区中。第二导电顶区具有小于第一深度的深度。第一导电高浓度区具有小于第二导电顶区深度的深度。
Description
本申请要求享有2006年10月17日提出的申请号为No.10-2006-0100781的韩国专利申请的优先权，在此结合其全部内容作为参考。
技术领域
本发明涉及一种互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器及其制造方法。
背景技术
一般来说，互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器包括：光电二极管以及CMOS器件。光电二极管是光接收元件。CMOS器件应用在光电二极管中累积的电荷产生电信号。
图1示出了现有技术的CMOS图像传感器。图1中的CMOS图像传感器包括：P型半导体衬底1101，场氧化膜1102，N型掺杂区1103，P型高浓度掺杂区1104，第一P型阱区1105，以及第二P型阱区1106。在P型半导体衬底1101的预定区(predetermined region)形成有场氧化膜1102。P型半导体衬底1101还定义了场区以及有源区。在P型半导体衬底1101的有源区的整个或者部分表面形成有具有第一深度的光电二极管源极的N型掺杂区1103。在P型半导体衬底1101的有源区的整个表面形成有具有小于第一深度的第二深度的P型高浓度掺杂区1104。第一P型阱区1105形成为使场氧化膜1102与光电二极管源极的N型掺杂区1103隔离。在有源区中的不同部分形成有第二P型阱区1106。在第二P型阱区1106中形成有漏极。在半导体衬底1101上方形成有栅极并且在它们之间夹有栅绝缘膜。
图2示出了用于形成图1中现有技术的CMOS图像传感器的掩模图案。图2包括：掩模图案1201，有源区掩模图案1202，以及掩模图案1203。当形成图1中的现有技术CMOS图像传感器时，掩模图像1201用于形成N型掺杂区1103，有源区掩模图案1202用于限定场区和有源区，以及，掩模图案1203用于形成第一P型阱区1105。第一P型阱区1105形成为使场氧化膜1102与光电二极管源极的N型掺杂区1103和第二P型阱区1106隔离。
图3示出了在图1中现有技术CMOS图像传感器深度方向上杂质离子的掺杂浓度。图3中的对数标度(log scale)示出了图1中现有技术CMOS图像传感器的N型掺杂区1103中心的垂直方向上杂质离子的掺杂浓度。图3示出了N型掺杂区1103构造为具有低于P型半导体衬底1101掺杂浓度的掺杂浓度。
图3还示出了在两虚线之间的耗尽区。如果由入射光产生的电子和空穴产生于耗尽区中，电子和空穴将无法相复合并被耗尽区中形成的电场隔离在各自不同的方向上。在这种情况下，电子就在N型掺杂区1103中累积。因此，耗尽区应该在有源区中占大的体积(large volume)以在低照度有效地捕获入射光。然而，如果耗尽区增加，如图3所示，将导致电容值的相应减少。因而，在施加在N型掺杂区1103的电压的变化值的任何条件下能够捕获的电荷的最大量降低。
图4示出了图1中现有技术CMOS图像传感器的动态范围。
[式1]
dQ＝Cpd*dV
其中
运算符*：表示乘法，
dQ：根据电压变化，电荷的变化量，
Cpd：N型掺杂区1103的电容，以及
dV：N型掺杂区1103电压的变化量。
如式1所示，在光入射以及电子累积之后施加给N型掺杂区1103的电压(Vpd＝Vp)等于零时，用于累积由光产生的电子的N型掺杂区1103的最大电容等于Cpd*Vp。这种特性由图4所示的动态范围示出。
结合图1中现有技术CMOS图像传感器的光电二极管结构的一个难点是敏感性和动态范围之间的折衷。尤其，图1中现有技术CMOS图像传感器的耗尽区沿垂直方向的扩展，导致低照度下敏感性的提高并改善了光电转换效率。然而，耗尽区的扩展造成光电二极管电容的降低。从而，像素器件电容的降低导致了动态范围的恶化。
发明内容
一般来说，本发明的示例性实施方式涉及一种互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器及其制造方法。示例性实施方式能够改善低照明敏感性并同时改善光电转换效率，提高光电二极管的充电容量，并因而提高像素器件的动态范围。
在示例性实施方式中，CMOS图像传感器包括：场区以及有源区，第二导电底区，第一导电阱区，第二导电顶区，以及第一导电高浓度区。场区和有源区都是在第一导电半导体衬底中形成的。在部分有源区中，第二导电底区拥有第一深度。第一导电阱区形成于有源区中，并包围第二导电底区。在有源区中，第二导电顶区拥有小于第一深度的深度。在包括第二导电顶区的半导体衬底的整个表面，第一导电高浓度区具有小于第二导电顶区的深度，其中所述第二导电底区是通过注入第二导电杂质离子而形成的，其中该第二导电杂质离子的浓度高于所述第一导电半导体衬底的杂质浓度并低于所述第一导电阱区的杂质浓度。
在另一示例性实施方式中，一种用于制造CMOS图像传感器的方法包括：首先，在第一导电半导体衬底中形成场区和有源区。接下来，示例性方法包括：在部分有源区中形成拥有第一深度的第二导电底区。然后，示例性方法包括：在有源区形成第一导电阱区以包围第二导电底区。接下来，示例性方法包括：在有源区形成第二导电顶区，该第二导电顶区具有小于第一深度的深度。然后，示例性方法包括：将第一导电高浓度杂质离子注入包括第二导电顶区的半导体衬底的整个表面中。最后，示例性方法包括：形成第一导电高浓度区，其中第一导电浓度区的深度小于第二导电顶区的深度。其中，所述第二导电底区是通过注入第二导电杂质离子形成的，其中该第二导电杂质离子浓度高于所述第一导电半导体衬底的杂质浓度并低于所述第一导电阱区的杂质浓度。
本发明还提供一种CMOS图像传感器，包括：场区以及有源区，都形成于第一导电半导体衬底中；第二导电底区，在部分所述有源区中具有第一深度；第一导电阱区，形成于所述有源区中并包围所述第二导电底区；第二导电顶区，在所述有源区中具有小于所述第一深度的深度；以及第一导电高浓度区，在包括所述第二导电顶区的所述半导体衬底的整个表面具有小于所述第二导电顶区所述深度的深度，其中，所述第二导电顶区是通过注入第二导电杂质离子来形成的，其中该第二导电杂质离子的浓度高于所述第一导电阱区的浓度。
本发明还提供一种用于制造CMOS图像传感器的方法，所述方法包括：在第一导电半导体衬底中形成场区以及有源区；在部分所述有源区中形成具有第一深度的第二导电底区；在所述有源区中形成第一导电阱区以包围所述第二导电底区；在所述有源区中形成第二导电顶区，所述第二导电顶区具有小于所述第一深度的深度；将第一导电高浓度杂质离子注入包括所述第二导电顶区的所述半导体衬底的整个表面；以及形成第一导电高浓度区，该第一导电高浓度区具有小于所述第二导电顶区的所述深度的深度，其中，所述第二导电顶区是通过注入第二导电杂质离子而形成的，其中该第二导电杂质离子的浓度高于所述第一导电阱区的浓度。
附图说明
从下述与结合附图所提供的示例性实施方式的描述中，可以更清楚地理解本发明示例性实施方式的诸方面，在附图中：
图1示出了现有技术互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的示意性截面图；
图2示出了用于形成图1中现有技术CMOS图像传感器的掩模图案；
图3示出了图1中现有技术CMOS图像传感器中沿深度方向上的杂质离子掺杂浓度的曲线图；
图4示出了图1中现有技术CMOS图像传感器的动态范围的曲线图；
图5示出了示例性CMOS图像传感器的示意性截面图；
图6示出了在图5所示示例性CMOS图像传感器上聚集的光的示意图；
图7示出了图5中示例性CMOS图像传感器的一个势阱的等电势图；
图8A以及8B分别示出了图7中沿虚线A和虚线B的截面提取的示例性掺杂分布以及示例性电势分布；以及
图9示出了用于制造第二示例性CMOS图像传感器的掩模图案。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细说明本发明的示例性实施方式。
图5示出了示例性互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。示例性CMOS图像传感器包括：第一导电半导体衬底2101，场氧化膜2102，第二导电顶区2103，第一导电高浓度区2104，第二导电底区2105，以及第一导电阱区2106。场区和有源区形成在第一导电半导体衬底2101中。第一以及第二导电类型分别为P型和N型，但其他结构也是可选的。
如图5所示，示例性CMOS图像传感器中的示例性光电二极管包括：在垂直方向上延伸的第二导电底区2105。第二导电底区2105可以形成为在部分有源区中具有第一深度。第二导电底区2105可通过注入第二导电杂质离子形成，该杂质离子浓度为高于第一导电半导体衬底2101的杂质浓度并低于第一导电阱区2106的杂质浓度，下面将详细描述。
继续参照图5，在有源区中形成第一导电阱区2106以包围第二导电底区2105。第二导电顶区2103形成为在有源区具有小于第一深度的深度。第二导电顶区2103形成为宽于第二导电底区2105。第二导电顶区2103是通过注入第二导电杂质离子形成的，其中该杂质离子浓度高于第一导电阱区2106的杂质离子的浓度。第二导电底区2105还能够形成为窄于第二导电顶区2103的多个。
第一导电高浓度区2104能够形成为在包括第二导电顶区2103的半导体衬底的表面上方具有小于第二导电顶区2103深度的深度。
因此，在图5中所示的示例性CMOS图像传感器中，将N型高浓度杂质注入为相对浅的区的第二导电顶区2103，并第二导电顶区2103夹在上层的第一导电高浓度区2104以及下层的第一导电高浓度阱区2106之间，从而得到大的电容。同样的，为N型低浓度区的第二导电底区2105能够得到宽的耗尽区。因此，这种结构是优点在于没有被入射光2202显著地破坏，如下参照图6进行描述。
图6示出了在图1中的示例性CMOS图像传感器聚集的光的示意图。图6示出了透镜和入射光的轨迹。如图6所示，入射光2202一般通过透镜2201入射，并因此将示例性CMOS图像传感器制造成在中心部分具有焦点2203。多数入射光2202穿过N型低浓度底区2105。这样，示例性CMOS图像传感器在聚集由实际光源产生的电子时具有相对小的损耗。
图7示出了图1中示例性CMOS图像传感器的一个势阱的等电势图。如图7所示，在光电二极管复位后，由于较低的掺杂量，底低势阱2302具有低的夹断电压(pinchoff voltage)。因而，底低势阱2302具有低电势。相对高的电压施加在顶高势阱2301上。从而，从底中产生并被电场捕获的电荷(电子)连续地转移并被累积在顶中，直到顶的电压降低底的电压。因此，底耗尽区在一段时间内保持不变。
图8A和图8B分别示出了沿图7中虚线A和B的截面提取的沿深度方向(Y方向)上的掺杂分布和电势分布。由入射光在耗尽区中产生的电子移动并累积到高电势位置。
如上所述，示例性CMOS图像传感器的N型掺杂区能够形成为N型高浓度顶掺杂区以及N型低浓度底掺杂区，从而提高了低照度的敏感性并同时使像素器件的动态范围最大化。
图9示出了用于制造图5中示例性CMOS图像传感器的掩模图案。用于制造示例性CMOS图像传感器的方法包括：形成在形成P型阱区并且用N-型杂质掺杂P型阱区以形成N型底区2105时使用的掩模。
在用于制造示例性CMOS图像传感器的方法中，应用硅的局部氧化(LOCOS)或浅沟隔离(STI)工艺在P型半导体衬底2101的预定区形成场氧化膜2102以在P型半导体衬底2101中限定场区和有源区。有源区是应用有源区掩模图案3102形成的。接下来，应用P型阱掩模图案3103在掩模外面区形成CMOS的P型阱区2106。
将N型杂质离子注入有源区的部分P型半导体衬底2101中，其中杂质离子的浓度高于P型半导体衬底2101的杂质浓度并低于P型阱区2106的杂质浓度。从而，形成具有第一深度的N型底区2105。
用于形成P型阱区2106的掩模图案3103与用于形成N型底区2105的掩模图案(未示出)相同并且在极性上相反。因此，P型阱区2106形成为包围N型底区2105。
接下来，应用光电二极管源极图案3101，用浓度高于P型阱区2106的杂质离子浓度的N型杂质离子进行注入，从而形成具有小于第一深度的深度的N型顶区2103。然后，将P型高浓度杂质离子注入包括N型底区2105以及N型顶区2103的P型半导体衬底2101的有源区的整个表面。P型阱掩模图案3103和N型光电二极管掩模的重叠区用作具有高静电电容的区域，从而改善了像素器件的动态范围。
如上关于示例性CMOS图像传感器及其制造方法的描述，N型掺杂区能够形成为N型高浓度顶掺杂区以及N型低浓度底掺杂区，从而增加低照度的敏感性并同时使像素器件的动态范围最大化。
现已参照一些示例性实施方式对本发明进行了公开和描述，同时本领域技术人员应该理解，在不脱离由所附权利要求书限定的本发明范围的情况下，可以本发明进行各种修改和变形。
Claims (14)
1.一种CMOS图像传感器，包括：
场区以及有源区，都形成于第一导电半导体衬底中；
第二导电底区，在部分所述有源区中具有第一深度；
第一导电阱区，形成于所述有源区中并包围所述第二导电底区；
第二导电顶区，在所述有源区中具有小于所述第一深度的深度；以及
第一导电高浓度区，在包括所述第二导电顶区的所述半导体衬底的整个表面具有小于所述第二导电顶区所述深度的深度，
其中，所述第二导电底区是通过注入第二导电杂质离子而形成的，其中该第二导电杂质离子的浓度高于所述第一导电半导体衬底的杂质浓度并低于所述第一导电阱区的杂质浓度。
2.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述第二导电顶区形成为宽于所述第二导电底区。
3.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述第二导电底区形成为窄于所述第二导电顶区的多个。
4.一种CMOS图像传感器，包括：
场区以及有源区，都形成于第一导电半导体衬底中；
第二导电底区，在部分所述有源区中具有第一深度；
第一导电阱区，形成于所述有源区中并包围所述第二导电底区；
第二导电顶区，在所述有源区中具有小于所述第一深度的深度；以及
第一导电高浓度区，在包括所述第二导电顶区的所述半导体衬底的整个表面具有小于所述第二导电顶区所述深度的深度，
其中，所述第二导电顶区是通过注入第二导电杂质离子来形成的，其中该第二导电杂质离子的浓度高于所述第一导电阱区的浓度。
5.根据权利要求4所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述第二导电顶区形成为宽于所述第二导电底区。
6.根据权利要求4所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述第二导电底区形成为窄于所述第二导电顶区的多个。
7.一种用于制造CMOS图像传感器的方法，所述方法包括：
在第一导电半导体衬底中形成场区以及有源区；
在部分所述有源区中形成具有第一深度的第二导电底区；
在所述有源区中形成第一导电阱区以包围所述第二导电底区；
在所述有源区中形成第二导电顶区，所述第二导电顶区具有小于所述第一深度的深度；
将第一导电高浓度杂质离子注入包括所述第二导电顶区的所述半导体衬底的整个表面；以及
形成第一导电高浓度区，该第一导电高浓度区具有小于所述第二导电顶区的所述深度的深度，
其中，所述第二导电底区是通过注入第二导电杂质离子形成的，其中该第二导电杂质离子浓度高于所述第一导电半导体衬底的杂质浓度并低于所述第一导电阱区的杂质浓度。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第二导电顶区形成为宽于所述第二导电底区。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第二导电底区是在所述有源区的内部以及基本上中心部分形成的。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，用于形成所述第一导电阱区的掩模图案与用于形成所述第二导电底区的掩模图案相同并且在极性上相反。
11.一种用于制造CMOS图像传感器的方法，所述方法包括：
在第一导电半导体衬底中形成场区以及有源区；
在部分所述有源区中形成具有第一深度的第二导电底区；
在所述有源区中形成第一导电阱区以包围所述第二导电底区；
在所述有源区中形成第二导电顶区，所述第二导电顶区具有小于所述第一深度的深度；
将第一导电高浓度杂质离子注入包括所述第二导电顶区的所述半导体衬底的整个表面；以及
形成第一导电高浓度区，该第一导电高浓度区具有小于所述第二导电顶区的所述深度的深度，
其中，所述第二导电顶区是通过注入第二导电杂质离子而形成的，其中该第二导电杂质离子的浓度高于所述第一导电阱区的浓度。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，用于形成所述第一导电阱区的掩模图案与用于形成所述第二导电底区的掩模图案相同并且在极性上相反。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第二导电顶区形成为宽于所述第二导电底区。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第二导电底区是在所述有源区的内部以及基本上中心部分形成的。
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