CN100559600C - Cmos图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
公开了CMOS图像传感器及其制造方法，该传感器能够通过增加浮动扩散区的结电容改善图像传感器的性能。CMOS图像传感器具有一个光电二极管，和转移、复位、驱动和选择晶体管，CMOS图像传感器包括第一导电型半导体衬底，在其上限定了一个包括光电二极管区、浮动扩散区和电压输入/输出区的有源区，通过在插入栅极绝缘层在半导体衬底的有源区上形成每个晶体管的栅电极，在对应于电压输入/输出区的半导体衬底的表面上形成第一导电型第一阱区，在对应于浮动扩散区的半导体衬底的表面上形成第一导电型第二阱区，在每个栅电极两侧的半导体衬底的表面上形成的第二导电型扩散区。
Description
技术领域
本申请要求于2005年10月13日申请的韩国专利申请No.10-2005-0096363的优先权，这里引入其全部内容作为参考。
背景技术
本发明涉及一种CMOS图像传感器。更具体地，本发明涉及一种CMOS图像传感器及其制造方法，该传感器能够通过减小浮动扩散区的漏电流改善图像传感器的特性。
相关技术的描述
通常，图像传感器是用于把光学图像转变成电信号的半导体器件，并分为电荷耦合器件(CCD)和CMOS图像传感器。
CCD具有多个光电二极管(PD)，为了把光信号转变成电信号，其以阵列形式排列。CCD包括多个在阵列中垂直设置的在光电二极管之间的垂直电荷耦合器件(VCCD)，以使当电荷从每个光电二极管产生时在垂直方向上传输，CCD还包括用于在水平方向上传输已经从VCCD传输的电荷的多个水平电荷耦合器件(HCCD)，和用于通过感应在水平方向上传输的电荷并输出电信号的感应收大器(sense amplifier)。
然而，这样的CCD具有很多缺点，例如复杂的驱动模式、高能耗等。该CCD也需要多个步骤的光刻工艺，因此CCD的制造工艺是复杂的。
另外，由于很难在CCD的单个芯片上集成控制器、信号处理器和模/数转换器(A/D转换器)，CCD不适用于小尺寸的产品。
近来，作为能够解决CCD的问题的下一代图像传感器的CMOS图像传感器受到极大关注。
CMOS图像传感器是采用开关模式以通过MOS晶体管依次检测每个象素的输出的器件，其中MOS晶体管使用外围器件，例如控制器和信号处理器通过CMO工艺形成在与单元象素对应的半导体衬底上。
即，CMO传感器在每个单元象素中包括一个光电二极管和一个MOS晶体管，并以开关模式依次检测的每个单元象素的电信号以识别图像。
由于CMOS图像传感器使用CMOS工艺，COM图像传感器具有例如低功耗和具有相对少的光刻工艺步骤的简单制造工艺的优点。
另外，CMOS图像传感器允许产品具有小的尺寸，因为控制器、信号处理器和A/D转换器能够被集成在CMOS图像传感器的芯片上。
因此，CMOS图像传感器已经被广泛地用于多种应用中，例如数字静态摄像机、数字视频摄像机等。
并且，CMOS图像传感器根据晶体管的数量被分为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。
在下文中，将会给出关于4T型CMOS图像传感器的单元象素的布局图。
图1是传统的四晶体管(4T)CMOS图像传感器的等效电路图。
如图1中所示，CMOS图像传感器的单元象素100包括用作光电转换器的光电二极管10和四个晶体管。
这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，负载晶体管60电连接到每个单元象素100的输出端子OUT。
在图1中，FD、Tx，Rx，Dx和Sx分别表示浮动扩散区、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。
图2是示出了传统的4TCMOS图像传感器的单元象素的布局图，图3是沿着图2的线II-II’且示出了传统的CMOS图像传感器的截面图。
如图2和3中所示，传统的4TCMOS图像传感器包括p阱区32，其形成在P型半导体衬底31表面的预定部分上，在衬底上限定有有源区和隔离区，还包括一个隔离层34，其形成在半导体衬底31的隔离区中，还包括四个晶体管的栅电极23、33、43和53，其形成在半导体衬底31的有源区中，当在栅电极和有源区之间插入栅极绝缘层35时，其通过隔离层34与隔离区分开，还包括一个光电二极管(PD)区，其在转移晶体管的栅电极的一侧形成的。
换句话说，转移晶体管20(见图1)，复位晶体管30(见图1)、驱动晶体管40(见图1)和选择晶体管50(见图1)分别由栅电极23、33、43和53形成。
除了光电二极管(PD)区和栅电极23、33、43和53的下部分，高浓度n+型掺杂剂以相同的注入深度注入到每个晶体管的有源区，以使得在每个晶体管的有源区中形成作为每个晶体管的源/漏区的N+型扩散区36。
并且，虽然没有解释，附图标记A表示其中形成N+型扩散区36的区域，附图标记B表示其中没有形成P-阱区32的区域。
因此，在P型半导体衬底31的表面而不是P阱区32上形成FD区和PD区。
另外，P型半导体衬底31的浓度在1E15/cm3到1E16/cm3的范围内，除了P型半导体衬底31，P阱区32的浓度在1E17/cm3到1E18/cm3的范围内，N+扩散区的浓度在1E20/cm3到1E22/cm3的范围内。
并且，图3中示出的栅电极33是复位晶体管的栅电极，在转移晶体管的栅电极23和复位晶体管的栅电极33之间的N+扩散区36是FD区。
另外，黑实线表示在FD区和驱动晶体管40(见图1)之间的连接线。
由于在具有均匀浓度的象素区域中形成了P阱区32，传统的CMOS图像传感器在象素区具有相同的漏电流，在单位面积上具有相同的结电容。
然而，减小在具有四个晶体管和一个光电二极管结构的CMOS图像传感器中的FD区的结漏电流是非常重要的。这是因为FD区的电位被用作驱动晶体管的输入电位。
然而，虽然当少量的电子从光电二极管中被携带出来时，FD没有问题，但是当大量电子被携带到FD区时，因为FD区中的电容具有小的电容，FD不能接收所有的被携带的电子(即，当由于大量的光入射到光电二极管中产生大量电子时)。
即，由于P型衬底的掺杂浓度在1E/15/cm3到1E/15/cm3的范围内，减小了FD区的电容值。
因此，充分地接收从光电二极管运送来的大量电子是很难的，不能为驱动晶体管施加精确的电位，以使得数据不能产生。
发明内容
因此，本发明的一个方面是提供CMOS图像传感器及其制造方法，该传感器能够通过增加浮动扩散区的结电容改善图像传感器的性能。
根据本发明的优选实施例，包括一个光电二极管和转移、复位、驱动和选择晶体管的CMOS图像传感器，CMOS图像传感器包括第一导电型半导体衬底，在其上限定了包括光电二极管区、浮动扩散区和电压输入/输出区的有源区，还包括通过插入栅极绝缘层在半导体衬底的有源区上形成的每个晶体管的栅电极，还包括在与电压输入/输出区对应的半导体衬底的表面上形成的第一导电型第一阱区，还包括在与浮动扩散区对应的半导体衬底表面上形成第一导电型第二阱区，还包括在每个栅电极两侧的半导体衬底表面上形成的第二导电型扩散区，其中，第一阱区具有比第二阱区的掺杂浓度更高的掺杂浓度。
根据本发明的另一方面，提供制造包括光电二极管、复位、驱动和选择晶体管的CMOS图像传感器的方法，该方法包括限定有源区的步骤，其包括在第一导电型半导体衬底上形成光电二极管区、浮动扩散区和电压输入/输出区，在半导体衬底的电压输入/输出区上形成第一导电型第一阱区，在半导体衬底的浮动扩散区上形成第二导电型第二阱区，通过插入栅极绝缘层，在半导体衬底的有源区上形成每个晶体管的栅电极，和在每个栅电极的两侧在半导体衬底表面上形成第二导电型扩散区，其中，第一阱区具有比第二阱区的掺杂浓度更高的掺杂浓度。
附图说明
图1是传统的四晶体管(4T)CMOS图像传感器的等效电路图；
图2是示出了传统的4T CMOS图像传感器的单元象素的布局图；
图3是示出了沿着图2的线II-II’的传统CMOS图像传感器的截面图；
图4是示出了根据本发明的4T CMOS图像传感器的单元象素的布局图；
图5是示出了根据本发明的CMOS图像传感器的沿着图4的线IV-IV’的截面图；
图6A到6D是示出了沿着图4的线IV-IV’的截面图，用来显示根据本发明制造CMOS图像传感器的方法。
具体实施方式
在下文中，将参考附图详细描述根据本发明的优选实施例。
图4是示出了根据本发明的4T CMOS图像传感器的单位象素的布局图，图5是示出了根据本发明的、显示一个传统的CMOS图像传感器沿着图4的线IV-IV’的截面图。
如图4和5中所示，CMOS图像传感器包括在P型半导体器件101的隔离区处形成的隔离层102，在该P型半导体器件上限定有包括光电二极管(PD)区和晶体管区以及隔离区的有源区，还包括在半导体器件101的有源区表面的预定部分形成的第一P阱区104，还包括在半导体器件101的有源区中形成的四个栅电极108、115、125和135，当在有源区和栅电极之间插入栅极绝缘层107时，其通过隔离层102从隔离区分开，还包括在栅电极108、115、125和135的两侧形成的N+型扩散区109，还包括以低于第一P阱区102的掺杂浓度在半导体衬底101的浮动扩散区中形成的第二P阱区106。
在四个栅电极108、115、125和135中，栅电极108是复位晶体管的栅电极，栅电极115是转移晶体管的栅电极，栅电极125是驱动晶体管的栅电极，栅电极135是选择晶体管的栅电极。
并且，PD区形成在转移晶体管的栅电极115的一侧上。
除了PD区和栅电极108、115、125和135的下部分之外，作为每个晶体管的源/漏区的N+型扩散区109，形成在每个晶体管的有源区中。
另外，第一P阱区104的掺杂浓度在1E17/cm3到1E18/cm3的范围内，N+型扩散区109的掺杂浓度在1E20/cm3到1E22/cm3的范围内，第二P阱区106的掺杂浓度在1E16/cm3到1E17/cm3的范围内。
图5中示出的栅电极108是复位晶体管的栅电极，作为浮动扩散(FD)区的N+型扩散区109形成在转移晶体管的栅电极115和复位晶体管的栅电极108之间的有源区。
另外，黑体实线表示用于连接FD区到驱动晶体管40(见图1)的连接线。
并且，在图4中，附图标记A、B和C分别表示其中形成N+型扩散区109的区、其上分别形成有PD的半导体器件101的区和其中形成有第二P阱区106的区。
在根据本发明具有上述结构的CMOS图像传感器中，在有源区的电压输入/输出(Vin/Vout)区中形成第一P阱区104，其被分成PD区、FD区、电压输入/输出(Vin/Vout)区，具有浓度低于第一P阱区104的第二P阱区106在FD区中形成。
图6A到6D是沿着图4的线IV-IV’的截面图，显示了根据本发明来制造CMOS图像传感器的一种方法。
如图6A中所示，包括P型单晶硅的半导体衬底101具有在其上限定的有源区和隔离区，通过浅沟槽隔离(STI)工艺在隔离区形成隔离层102。
虽然在图中未示出，形成隔离层102的方法如下所述。
依次在半导体衬底101上形成衬垫氧化层、衬垫氮化物层和四乙基原硅酸盐(TEOS)氧化物层，在TEOS氧化物层上形成光致抗蚀剂膜。
然后，使用限定有源区和隔离区的掩膜，对光致抗蚀剂膜进行曝光和显影，由此构图光致抗蚀剂膜。此时，除去在隔离区中形成的光致抗蚀剂膜。
此后，通过使用已构图的光致抗蚀剂膜作为掩膜，选择性地除去隔离区中的衬垫氧化物层、衬垫氮化物层和TEOS氧化物层。
以预定深度蚀刻隔离区的半导体衬底以由此形成沟槽。此时，已构图的衬垫氧化物层、衬垫氮化物层和TEOS氧化物层可以用作掩膜。然后，完全除去光致抗蚀剂膜。
然后，利用绝缘材料填充沟槽，使得在沟槽中形成隔离层103。随后，除去衬垫氧化物层、衬垫氮化物层和TEOS氧化物层。
如图6B中所示，在形成有隔离层102的半导体衬底101的整个表面上涂敷第一光致抗蚀剂膜103后，通过曝光和显影工艺构图第一光致抗蚀剂膜以使得有源区(见图4)的一部分A被打开。
这里，部分A表示输入节点(Vin节点)区，输出节点(Vout节点)区，和除了FD区的外围电路。
然后，通过使用第一光致抗蚀剂膜103作为掩膜，把低浓度P型掺杂剂注入半导体衬底101中，由此在半导体衬底101表面上形成第一p阱区104。
第一P阱区104的浓度在1E17/cm3和1E18/cm3的范围内。
如图6C所示，在半导体衬底101上除去光致抗蚀剂膜103和涂敷第二光致抗蚀剂膜105之后，通过曝光和显影工艺构图第二光致抗蚀剂膜105以使得仅有部分A可以被第二光致抗蚀剂膜105覆盖。
由第二光致抗蚀剂膜105打开的区是用于形成FD区的区。
然后，通过使用第二光致抗蚀剂膜105作为掩膜，将具有低于第一P阱区104浓度的P型掺杂剂注入半导体衬底101中，由此在半导体衬底101的表面上形成第二P阱区106。
第二P阱区106的掺杂浓度在1E16/cm3到1E17/cm3的范围内，其中形成有光电二极管的半导体衬底101的掺杂浓度在1E15/cm3到1E16/cm3的范围内。
然后，如图6D中所示，除去第二光致抗蚀剂膜105，在形成有隔离层103的半导体衬底101的整个表面上沉积栅极绝缘层107和导电层(例如多晶硅层)，通过光刻工艺选择性地除去导电层，由此形成复位晶体管的栅电极108。
当形成复位晶体管的栅电极108时，同时也形成其它晶体管，即转移晶体管、驱动晶体管和选择晶体管的栅电极。
然后，通过使用栅电极108作为掩膜，高浓度的N+型掺杂剂被注入到曝露的有源区，由此形成N+型扩散区109。
形成N+型扩散区109，其具有在1E20/cm3到1E22/cm3范围内的浓度。
然后，半导体衬底10经受热处理工艺(例如快速热处理工艺)，由此在具有不同浓度的N+型扩散区109中扩散掺杂剂。
如上所述，根据本发明的CMOS图像传感器及其制造方法具有如下优点。
在形成有浮动扩散区的半导体衬底中的P型掺杂剂的浓度有所增加，使得浮动扩散区的结电容增加，由此改善了图像传感器的性能。
虽然参考某些优选的实施例已经示出和描述了本发明，但是本领域技术人员将会清楚在不脱离所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，本发明可以在形式和细节上作出多种修改。
Claims (7)
1、一种CMOS图像传感器，其包括：一个光电二极管和转移、复位、驱动和选择晶体管，CMOS图像传感器包括：
第一导电型半导体衬底，其上限定包括光电二极管区、浮动扩散区和电压输入/输出区的有源区；
通过插入栅极绝缘层在半导体衬底的有源区上形成的每个晶体管的栅电极；
在对应于电压输入/输出区的半导体衬底的表面上形成的第一导电型第一阱区；
在对应于浮动扩散区的半导体衬底的表面上形成的第一导电型第二阱区；和
在每个栅电极两侧的半导体衬底的表面上形成的第二导电型扩散区；
其中，第一阱区具有比第二阱区的掺杂浓度更高的掺杂浓度。
2、如权利要求1的CMOS图像传感器，其中第一阱区具有在1E17/cm3到1E18/cm3的范围内的掺杂浓度。
3、如权利要求1的CMOS图像传感器，其中第二阱区具有在1E16/cm3到1E17/cm3的范围内的掺杂浓度。
4、如权利要求1的CMOS图像传感器，其中半导体衬底具有在1E15/cm3到1E16/cm3的范围内的掺杂浓度。
5、一种制造包括一个光电二极管和转移、复位、驱动和选择晶体管的CMOS图像传感器的方法，该方法包括以下步骤：
在第一导电型的半导体衬底上限定有源区，其包括光电二极管区、浮动扩散区和电压输入/输出区；
在半导体衬底的输入/输出区上形成第一导电型第一阱区；
在半导体衬底的浮动扩散区上形成第二导电型第二阱区；
通过插入栅极绝缘层在半导体衬底的有源区上形成每个晶体管的栅电极；和
在每个栅电极两侧的半导体衬底表面上形成第二导电型扩散区；
其中，第一阱区具有比第二阱区的掺杂浓度更高的掺杂浓度。
6、如权利要求5的方法，其中第一阱区具有在1E17/cm3到1E18/cm3的范围内的掺杂浓度。
7、如权利要求5的方法，其中第二阱区具有在1E16/cm3到1E17/cm3的范围内的掺杂浓度。
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