CN100559601C - 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图像传感器及其制造方法，其通过防止光电二极管区损伤而能够改善图像传感器特性。该CMOS图像传感器包括：半导体衬底，其上形成器件隔离区和有源区；光电二极管区，形成于该有源区处；导电塞，形成于该光电二极管区处，用于将该光电二极管区连接到金属布线；以及晶体管，形成为围绕该导电塞。
Description
技术领域
本发明涉及一种互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器及其制造方法。
背景技术
图像传感器是一种将光学图像转换为电信号的半导体器件。图像传感器通常分为电荷耦合器件(CCD)和CMOS图像传感器。
CCD型图像传感器包括若干彼此位置相邻的金属氧化物半导体(MOS)电容器，其中电荷载流子转移到或保存在MOS电容器内。
CMOS图像传感器是使用开关模式的器件，以通过光电二极管依次检测输出，其中通过使用控制电路和信号处理电路的CMOS技术形成与像素数量相同的MOS晶体管。
CCD具有多种缺点，例如驱动模式复杂、功耗大、因许多掩模处理而不能在用于CCD的芯片中实现信号处理电路，等等。
CMOS图像传感器通过在像素单元内形成以开关模式检测信号的光电二极管和MOS晶体管，来获取图像。如上所述，因为CMOS图像传感器利用这种CMOS制造技术，所以CMOS图像传感器具有非常低的功耗，并且与需要30至40个掩模的CCD制造工艺相比，CMOS图像传感器采用只需要大约20个掩模的单个制造工艺。
此外，CMOS图像传感器能够将信号处理电路集成到信号芯片中，因此CMOS图像传感器目前广泛用于各种应用上，例如数码照相机(DSC)、PC相机、手机相机，等等。
在具有上述特性的图像传感器中，CMOS图像传感器根据晶体管的数目而可分为3T型、4T型和5T型。3T型CMOS图像传感器包括单个光电二极管和三个晶体管，而4T型CMOS图像传感器包括单个光电二极管和四个晶体管。以下将参照3T型CMOS图像传感器的等效电路图及其布局图来描述3T型CMOS图像传感器。
图1是根据相关技术的3T型CMOS图像传感器的等效电路图。图2是示出根据相关技术的3T型CMOS图像传感器的像素单元的布局图。
如图1所示，根据相关技术的典型3T型CMOS图像传感器的像素单元包括一个光电二极管PD和三个NMOS晶体管T1、T2及T3。光电二极管PD的阴极连接到第一NMOS晶体管T1的漏极以及第二NMOS晶体管T2的栅极。
此外，第一NMOS晶体管T1和第二NMOS晶体管T2的源极连接到提供参考电压的电力线，而第一NMOS晶体管T1的栅极连接到提供复位信号的复位线。
另外，第三NMOS晶体管T3的源极连接到第二NMOS晶体管T2的漏极，而第三NMOS晶体管T3的漏极通过信号线连接到读出电路(未示出)。第三NMOS晶体管T3的栅极连接到提供选择信号SLCT的列选择线。
因此，第一NMOS晶体管T1是复位晶体管Rx，而第二NMOS晶体管T2是驱动晶体管Dx。第三NMOS晶体管T3是选择晶体管Sx。
如图2所示，在3T型CMOS图像传感器的像素单元中限定有源区10。在有源区10的较宽部分处形成一个光电二极管20，而以与有源区10的其余部分交叠的方式，在有源区10的其余部分处形成三个晶体管的栅极30、40及50。
也就是说，复位晶体管Rx是通过第一栅极30形成的，驱动晶体管Dx是通过第二栅极40形成的，而选择晶体管Sx是通过第三栅极50形成的。
此处，将杂质离子注入到各晶体管的有源区中除了栅极30、40、及50下部之外的其余部分，从而形成各晶体管的源极/漏极区。
因此，电源电压Vdd被施加到复位晶体管Rx与驱动晶体管Dx之间的源极/漏极区，并且位于选择晶体管Sx一侧的源极/漏极区连接到读出电路。
尽管图中未示，但栅极30、40及50连接到相应的信号线，且相应的信号线通过在其一端包含的焊盘而连接到外部驱动电路。
图3是图2中根据相关技术的CMOS图像传感器沿线III-III’的剖视图。
如图3所示，P型外延层(P-EPI)102形成于p+型半导体衬底101的表面，该半导体衬底101是由器件隔离区和有源区限定的。器件隔离层103形成于半导体衬底101的器件隔离区处，并在红光、绿光及蓝光的输入区之间进行隔离。
而且，栅极绝缘层104插入半导体衬底101的晶体管区中以形成栅极105，侧壁绝缘层106形成于栅极105的两侧，而n-型扩散区107形成于位于栅极105一侧的光电二极管区处。
此外，n+型扩散区108形成于位于栅极105另一侧的晶体管区处，层间介电层109形成于包括栅极105的半导体衬底101的整个表面上。导电塞110形成为穿过层间介电层109，并且导电塞110电连接到作为光电二极管区的n-型扩散区107。
此外，金属布线111形成于导电塞110上以及与该导电塞110相邻的层间介电层109上。
另一方面，光电二极管区接收光，并且其极易受到工艺损伤是非常需要保护的区域。
在形成栅极105时，第一次等离子体损伤基本施加到光电二极管区。此外，在形成侧壁绝缘层106期间，第二次等离子体损伤施加到光电二极管区。
而且，当为了与光电二极管区接触而选择性地除去层间介电层以形成接触孔时，第三次等离子体损伤施加到光电二极管区。
施加到光电二极管区的损伤在无光状态下起到产生电子的作用，从而减弱了CMOS图像传感器的性能。
发明内容
因此，本发明致力于提供一种CMOS图像传感器及其制造方法，其基本上避免了因相关技术的局限和缺点而导致的一个或多个问题。
本发明的目的是提供一种CMOS图像传感器及其制造方法，其能够通过防止光电二极管区损伤而改善图像传感器的特性。
关于本发明的其它优点、目的及特征，将一部分在以下说明中提出，且一部分对本领域技术人员而言在考察以下内容后将变得显而易见或能够从本发明的实践中知晓。本发明的目的和其它优点可通过本发明的文字说明和权利要求以及附图所特别指出的结构来实现及获得。
为实现上述目的和其它优点，根据本发明的意图，如在此具体实施和概括描述的，提供了一种CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器，该CMOS图像传感器包括：半导体衬底，其上形成器件隔离区和有源区；光电二极管区，形成于该有源区处；导电塞，形成于该光电二极管区处，用于将该光电二极管区连接到金属布线；以及第一复位晶体管和第二复位晶体管，形成为围绕该导电塞，其中该第一复位晶体管和该第二复位晶体管通过各自的栅极相连。
在本发明的另一实施例中，提供了一种CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器，该CMOS图像传感器包括：半导体衬底，其上形成器件隔离区和有源区；光电二极管区和晶体管区，形成于该有源区处；复位晶体管，包括第一复位晶体管和第二复位晶体管，其中该第一复位晶体管形成在光电二极管区和晶体管区之间，用于将该有源区划分成该光电二极管区和该晶体管区，并且该第二复位晶体管形成在第一区和第二区之间，用于将该光电二极管区划分成该第一区和该第二区；层间介电层，包括用以暴露该第一区的接触孔；以及导电塞，形成于该接触孔处，其中该接触孔形成在该第一复位晶体管和该第二复位晶体管之间，其中该第一复位晶体管和该第二复位晶体管通过各自的栅极相连。
在本发明的另一方案中，提供了一种CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器的制造方法，该方法包括以下步骤：在半导体衬底中限定器件隔离区和有源区；形成位于光电二极管区和晶体管区之间的第一复位栅极和位于第一区和第二区之间第二复位栅极，以通过该第一复位栅极将该有源区划分成该光电二极管区和该晶体管区，并且通过该第二复位栅极将该光电二极管区划分成该第一区和该第二区；将杂质离子注入该光电二极管区中；分别在该第一和第二复位栅极的两侧形成侧壁绝缘层；将杂质离子注入该晶体管区中；形成层间介电层，该层间介电层具有用以暴露该第一区的接触孔，其中该接触孔形成在该第一复位晶体管和该第二复位晶体管之间；以及在该接触孔中形成导电塞，其中将该第一复位晶体管和该第二复位晶体管通过各自的栅极相连。
应理解的是，本发明的以上概括描述和以下详细描述均为示例性的和说明性的，且用于对要求保护的发明提供进一步说明。
附图说明
附图用于提供对本发明的进一步理解，其包含在本申请中并构成本申请的一部分。附图示出本发明的实施例，并和说明书一起用于说明本发明的原理。在附图中：
图1是根据相关技术的3T型CMOS图像传感器的等效电路图；
图2是示出根据相关技术的3T型CMOS图像传感器的像素单元的布局图；
图3是图2中根据相关技术的CMOS图像传感器沿线III-III’的剖视图；
图4A是示出根据本发明实施例的CMOS图像传感器的像素单元的布局图；
图4B是图4中CMOS图像传感器沿线IV-IV’的剖视图；以及
图5A至图5F以剖视图示出根据本发明的CMOS图像传感器的制造方法。
具体实施方式
以下将详细地介绍本发明的优选实施例，其实例在附图中示出。在全部附图中尽可能用相同的标号来表示相同或相似的部件。
以下将参照附图，说明根据本发明实施例的CMOS图像传感器及其制造方法。
图4A是示出根据本发明实施例的CMOS图像传感器的像素单元的布局图。图4B是图4A中CMOS图像传感器沿线IV-IV’的剖视图。
参照图4A和图4B，半导体衬底201包括在其中限定的器件隔离区和有源区。有源区包括光电二极管区和晶体管区。
器件隔离层203形成于半导体衬底201的器件隔离区处，并在红光、绿光及蓝光的输入区之间进行隔离。n-型扩散区208形成于半导体衬底201的光电二极管区处。
栅极绝缘层204插入半导体衬底201的晶体管区中，由此形成以方形围绕一部分光电二极管区的栅极205和覆盖氧化物层206，并在栅极205以及覆盖氧化物层206的两侧均形成侧壁绝缘层209。
此外，n+型扩散区211形成于半导体衬底201的晶体管区处，并且第一绝缘层212形成于半导体衬底201的整个表面上。
第一接触孔形成为暴露被栅极围绕的光电二极管区的一部分，并且第一导电塞214形成于第一接触孔的内部。
而且，第二层间介电层215形成于半导体衬底201的整个表面上，并且第二接触孔形成在第二层间介电层215中以暴露第一导电塞214的表面的预定部分。
第二导电塞217形成于第二接触孔的内部，并且形成与第二导电塞217相连接的金属布线218。
在根据本发明实施例的CMOS图像传感器中，当在复位晶体管的栅极围绕一部分光电二极管区之后将光电二极管区的接触部分形成于复位晶体管的栅极处时，在它们之间填充导电塞，从而减少施加至光电二极管区的损伤。
图5A至图5F以剖视图示出根据本发明的CMOS图像传感器的制造方法。
如图5A所示，通过外延工艺，在例如多晶硅的半导体衬底201上形成外延层(P-EPI)202。
此处，外延层202在光电二极管区中形成达到相当大深度的耗尽区，以提高低电压光电二极管采集光电荷(optical charge)的性能，从而增强CMOS图像传感器的感光性。
此外，在半导体衬底201中限定光电二极管区、晶体管区及器件隔离区，并且利用STI工艺或LOCOS工艺，在器件隔离区形成器件隔离层203。
接下来，在已形成器件隔离层203的半导体衬底201的整个表面上，依次形成栅极绝缘层204、导电层(例如，高浓度多晶硅层)及氧化物层。通过光刻和蚀刻工艺，选择性地去除氧化物层、导电层及栅极绝缘层204，从而形成各晶体管的栅极205以及位于栅极205上部的覆盖氧化物层206。
此处，栅极绝缘层204可通过热氧化工艺或CVD工艺来形成，而且可在导电层上进一步形成硅化物层以形成栅极。
另一方面，可对栅极205和半导体衬底201的表面执行热氧化处理以形成热氧化层(未示出)。
此外，栅极205用作复位晶体管的栅极并形成为方形，同时围绕一部分光电二极管区，如图4A所示。
如图5B所示，在将半导体衬底201的整个表面以第一光致抗蚀剂层207涂布之后，通过曝光和显影处理将第一光致抗蚀剂层207图案化，以暴露光电二极管区。
然后，利用图案化的第一光致抗蚀剂层207作为掩模，将低浓度的第二导电(n-型)杂质离子注入半导体衬底201的光电二极管区中，以形成n-型扩散区208。
如图5C所示，在将第一光致抗蚀剂层207去除并在半导体衬底201的整个表面上形成绝缘层之后，对由此获得的结构进行回蚀刻，从而在栅极205以及覆盖氧化物层206的两侧均形成侧壁绝缘层209。
然后，在半导体衬底201的整个表面上涂布第二光致抗蚀剂层210之后，通过曝光和显影处理将第二光致抗蚀剂层210选择性地图案化，以暴露晶体管区。
而且，利用图案化的第二光致抗蚀剂层210作为掩模，将高浓度的第二导电(n+型)杂质离子注入半导体衬底201的晶体管区中，以形成n+型扩散区211。
如图5D所示，在去除第二光致抗蚀剂层210之后，对半导体衬底201执行热处理工艺(例如，快速热退火)，以使杂质离子在n-型扩散区208和n+型扩散区211中扩散。
接下来，在包括栅极205的半导体衬底201的整个表面上形成第一层间介电层212。通过光刻和蚀刻工艺形成第一接触孔213，以暴露光电二极管区的位于栅极205之间(即位于侧壁绝缘层209之间)的预定部分。
如图5E所示，在包括第一接触孔213的半导体衬底201的整个表面上形成多晶硅层或例如钨之类的金属层。然后，对半导体衬底201的整个表面执行平坦化处理，以在第一接触孔213中形成第一导电塞214。
随后，在包括第一导电塞214的半导体衬底201的整个表面上形成第二层间介电层215。然后，通过光刻和蚀刻工艺，选择性地去除第二层间介电层215以暴露第一导电塞214的表面，从而形成第二接触孔216。
如图5F所示，在包括第二接触孔216的半导体衬底201的整个表面上形成多晶硅层或例如钨之类的金属层。然后，对半导体衬底201的整个表面执行平坦化处理，从而在第二接触孔216中形成第二导电塞217。
其后，在将例如铝或铜之类的金属层沉积在半导体衬底201的整个表面上之后，通过光刻和蚀刻工艺选择性地去除该金属层，从而形成金属布线218，该金属布线218电连接到第二导电塞217。
根据以上描述显而易见的是，在上述CMOS图像传感器及其制造方法中，在形成复位晶体管的栅极时，将该栅极形成为围绕一部分光电二极管区，并在它们之间形成用于电连接的接触部分，从而可将施加到光电二极管区的损伤减至最小，从而提高图像传感器的性能。
对本领域技术人员来说，显然可对本发明进行各种修改和改动。因此，本发明应涵盖落在所附权利要求及其等效方案的范围内的对本发明的修改和改动。
Claims (10)
1.一种CMOS图像传感器，包括：
半导体衬底，其上形成器件隔离区和有源区；
光电二极管区，形成于该有源区处；
导电塞，形成于该光电二极管区处，用于将该光电二极管区连接到金属布线；以及
第一复位晶体管和第二复位晶体管，形成为围绕该导电塞，
其中该第一复位晶体管和该第二复位晶体管通过各自的栅极相连。
2.一种CMOS图像传感器，包括：
半导体衬底，其上形成器件隔离区和有源区；
光电二极管区和晶体管区，形成于该有源区处；
复位晶体管，包括第一复位晶体管和第二复位晶体管，其中该第一复位晶体管形成在光电二极管区和晶体管区之间，用于将该有源区划分成该光电二极管区和该晶体管区，并且该第二复位晶体管形成在第一区和第二区之间，用于将该光电二极管区划分成该第一区和该第二区；
层间介电层，包括用以暴露该第一区的接触孔；以及
导电塞，形成于该接触孔处，其中该接触孔形成在该第一复位晶体管和该第二复位晶体管之间，其中该第一复位晶体管和该第二复位晶体管通过各自的栅极相连。
3.根据权利要求2所述的CMOS图像传感器，其中该第一区是由该第二复位晶体管划分的内部区域，而该第二区是由该第二复位晶体管划分的外部区域。
4.根据权利要求2所述的CMOS图像传感器，其中该第一复位晶体管和该第二复位晶体管的所述栅极形成为围绕该第一区的外围。
5.根据权利要求2所述的CMOS图像传感器，其中该第一复位晶体管和该第二复位晶体管的所述栅极以方形围绕该第一区的外围。
6.根据权利要求2所述的CMOS图像传感器，其中该第一复位晶体管和该第二复位晶体管均包括栅极绝缘层、栅极及侧壁绝缘层。
7.根据权利要求2所述的CMOS图像传感器，其中该导电塞的一部分由该层间介电层所围绕，而该导电塞的另一部分由该第一复位晶体管和该第二复位晶体管的侧壁绝缘层所围绕。
8.一种CMOS图像传感器的制造方法，包括以下步骤：
在半导体衬底中限定器件隔离区和有源区；
形成位于光电二极管区和晶体管区之间的第一复位栅极和位于第一区和第二区之间第二复位栅极，以通过该第一复位栅极将该有源区划分成该光电二极管区和该晶体管区，并且通过该第二复位栅极将该光电二极管区划分成该第一区和该第二区；
将杂质离子注入该光电二极管区中；
分别在该第一和第二复位栅极的两侧形成侧壁绝缘层；
将杂质离子注入该晶体管区中；
形成层间介电层，该层间介电层具有用以暴露该第一区的接触孔，其中该接触孔形成在该第一复位晶体管和该第二复位晶体管之间；以及
在该接触孔中形成导电塞，其中将该第一复位晶体管和该第二复位晶体管通过各自的栅极相连。
9.根据权利要求8所述的CMOS图像传感器的制造方法，其中该第一和第二复位栅极形成为围绕该第一区。
10.根据权利要求8所述的CMOS图像传感器的制造方法，其中该导电塞的一部分由该层间介电层所围绕，而该导电塞的另一部分由该侧壁绝缘层所围绕。
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