CN100565897C - 使用表面场效应的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图像传感器包括光电二极管，该光电二极管具有形成在半导体衬底中的具有第一导电类型的阱，形成在半导体衬底中的具有与该第一导电类型的阱相反的导电类型的第一离子注入层，邻近该半导体衬底最高表面并且在该第一离子注入层上方形成的具有第一导电类型的第二离子注入层。可在该半导体衬底上方形成的对可见光线透明的导电电极以覆盖该第二离子注入层。
Description
本申请根据35 U.S.C.119要求韩国专利申请号No.10-2006-0087736(在2006年9月12号提交)的优先权，在此并入其全部内容作为参考。
技术领域
本发明涉及半导体器件，特别地，涉及一种使用表面场效应的CMOS图像传感器。
背景技术
图像传感器是一种用于将通过图像传感器检测到的光学图像转换成电信号的半导体器件。图像传感器可分类为电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)。
CMOS图像传感器具有其数量对应于半导体器件的像素数量的MOS晶体管，MOS晶体管具有控制电路和信号处理单元作为外围电路。控制电路和信号处理单元可集成在一起，以使用转换方法通过MOS晶体管检测输出。
CMOS图像传感器可具有多个单元像素，据此每个单元像素包括一个光传感器件，例如光电二极管，以及多个MOS晶体管。
如示例图1中所示，CMOS图像传感器包括用于感测光并且将光转换成光电荷的光电二极管100。传输晶体管(Tx)101将由光电二极管100产生的光电荷传输到浮动扩散区102。复位晶体管(Rx)103设置浮动扩散区102的电位到预定值并且也通过释放光电荷而复位浮动扩散区102。驱动晶体管(Dx)104作为源极跟随缓冲放大器，而提供选择晶体管(Sx)105用于转换和定向。提供负载晶体管(RL)106以读取输出电荷并且在单元像素外面形成负载晶体管106。
如示例图2A中所示，CMOS图像传感器包括形成在硅衬底(Sub)中的绝缘膜层11。绝缘膜11可包括场氧化膜。传输晶体管的栅电极101包括形成在硅衬底(Sub)上的间隔物(spacer)。光电二极管100包括N型离子注入区域(PDN)和P型离子注入区域(PDP)。形成在硅衬底(Sub)中的P阱作为PN二极管的地阳极，N型离子注入区域(PDN)作为PN二极管的阴极。
如示例图2A中所示，P型离子注入区域(PDP)形成在N型离子注入区域(PDN)上方并且邻近硅衬底(Sub)的上部表面。N型离子注入区域(PDN)不直接与硅衬底(Sub)的上部表面接触，并且因而，掩埋在硅衬底(Sub)中。因此，硅衬底(Sub)的上部表面不包括在PN二极管的耗尽区中，从而减小由暗电流引起的泄漏电流。
如示例图2A中所示，PN二极管在传输晶体管101的栅电极下形成。即使传输晶体管在导通状态，可能具有在光电二极管和传输晶体管之间产生势垒的高可能性。因此，由于PN二极管较深地形成在硅衬底(Sub)内，所以对于蓝色的灵敏性减小。
可在接近的空间位置中邻近硅衬底的上部表面形成P型离子注入区域(PDP)和N型离子注入区域(PDN)。特别地，高浓度离子例如硼(B)或BF2注入到P型离子注入区域(PDP)中。具有大的迁移率的硼(B)或BF2的高浓度离子扩散到N型离子注入区域(PDN)或传输晶体管，据此它们的圆周区域在掺杂浓度上变化。为了形成邻近硅衬底(Sub)的上部表面的PN结，降低P型离子注入区域(PDP)的掺杂浓度是很重要的。
发明内容
本发明的实施例涉及包括MOS晶体管的CMOS图像传感器，该MOS图像传感器包括光电二极管，该光电二极管包括形成在半导体衬底中的具有第一导电类型的阱、形成在所述半导体衬底中的具有与所述阱的第一导电类型相反的导电类型的第一离子注入层以及邻近所述半导体衬底的最高表面并且在所述第一离子注入层上方形成的具有第一导电类型的第二离子注入层。该MOS图像传感器还包括形成在所述半导体衬底表面上以覆盖所述第一离子注入层和所述第二离子注入层的绝缘层；形成在所述绝缘层中的导电电极，所述导电电极对可见光线透明；以及形成在所述绝缘层中与所述导电电极分离的MOS晶体管的栅电极。
根据实施例，光电二极管的PN结的位置邻近于硅衬底的上部表面通过一些离子注入层进入PN结的耗尽区而防止暗电流。
附图说明
示例图1示出4晶体管(4Tr)结构CMOS图像传感器；
示例图2A和2B示出在4晶体管(4Tr)结构CMOS图像传感器中的光电二极管区域；
示例图3A和3B根据实施例示出CMOS图像传感器中的具有透明电极的光电二极管区域。
具体实施方式
如示例图3A和3B中所示，将第一导电类型掺杂剂即P型离子注入到P型硅半导体衬底(Sub)中去以形成阱。然后可将N型掺杂离子注入到衬底(Sub)中，形成第一离子注入层(PDN)。
可邻近衬底(Sub)的上部表面注入诸如硼B或BF2的离子并且可对应于在第一离子注入层(PDN)上方的预定高度以形成P型离子注入层(PDP)。在衬底(Sub)上面和/或上方形成包括间隔物13和浮动扩散区102的传输晶体管101。
如示例图3A和3B中所示，在根据实施例的CMOS图像传感器中，在P型离子注入层(PDP)上面和/或上方形成绝缘膜层200a以形成导电电极200。绝缘膜层200a可由氧化硅组成。此外，所述氧化硅膜200a可由对可见光线透明的材料构成。导电电极200可由能够将光传输到光接收部分的透明材料构成。可在衬底(Sub)的上部表面上和/或上方形成导电电极200。可在透明导电电极200和P型离子注入层(PDP)之间插入氧化硅的绝缘膜200a。特别地，在衬底(Sub)上面和/或上方沉积透明导电电极200以便其覆盖整个光电二极管区域，即PDP和PDN。
如示例图3A和3B中所示，在光电二极管的PDP区域上面和/或上方的导电电极200的放置将导致其不会对光传输有影响，并且因而，期望波长的可见光线集中到光电二极管上。
地电位(GND)可施加到导电电极200以便PDP区域的正电荷(空穴)感应到导电电极200。意味着，PDP区域的正电荷感应到离子注入层的上侧即硅衬底(Sub)的上部表面，类似于在P-MOSFET中达到衬底的上部表面的正电荷的感应。
由于通过场效应正电荷被感应到硅衬底(Sub)的上部表面，因此不需要高掺杂的PDP区域。因此，有缺陷的表面不包括在光电二极管的耗尽区中，从而防止暗电流。
根据实施例，虽然PDP区域用硼或BF2的低浓度离子掺杂，仍然可以通过场效应将电荷感应到衬底(Sub)的上部表面。因此，由于硼或BF2离子具有大的迁移率，光电二极管的结很少有机会向下移动。因此，可邻近衬底(Sub)的最高表面形成PN结。
可基于PDN的浓度而决定PN结的位置，其对于制造工序的最优化是有益的。根据实施例，PDP区域的浓度可以低于典型的浓度。因此，在传输晶体管沟道区域中的电流-电压关系很少受PDP区域的浓度影响。
根据实施例，在P型半导体衬底中可形成多个N沟道MOS晶体管。另一方面，在N型半导体衬底中可形成多个P沟道MOS晶体管，在这种情况可将导电电极200可以连接到电源电压Vdd。
根据本发明实施例的COMS图像传感器可产生多种优势。例如，通过减小PDP区域的浓度，邻近衬底的最高表面可形成光电二极管的PN结。可防止通过衬底的有缺陷的表面引起的电流泄漏。也可降低传输晶体管和光电二极管间的能量势垒。能量势垒的降低意味着读取光电二极管的信息上的时间延迟的降低，并且因而增强了CMOS图像传感器的效率。
尽管在此已经描述了实施例，应当理解本领域普通技术人员能够设计许多其它的变形和实施例，其将落入本公开的原理范围和精神之内。更特别地，在本公开、附图和附加权利要求的范围内在组成部分和/或主题组合排列的配置中可能有各种改变和变形。除了在组成部分和/或配置中的改变和变形之外，选择性的使用对本领域技术人员来说也是显然的。
Claims (18)
1、一种CMOS图像传感器，包括：
光电二极管，该光电二极管包括形成在半导体衬底中的具有第一导电类型的阱、形成在所述半导体衬底中的具有与所述阱的第一导电类型相反的导电类型的第一离子注入层以及邻近所述半导体衬底的最高表面并且在所述第一离子注入层上方形成的具有第一导电类型的第二离子注入层；
形成在所述半导体衬底表面上以覆盖所述第一离子注入层和所述第二离子注入层的绝缘层；
形成在所述绝缘层中的导电电极，所述导电电极对可见光线透明；以及
形成在所述绝缘层中与所述导电电极分离的MOS晶体管的栅电极。
2、根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述绝缘层由氧化层形成。
3、根据权利要求2所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述氧化层对可见光线透明。
4、权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述半导体衬底为P型硅衬底。
5、权利要求4所述的CMOS图像传感器，其特征在于，P型掺杂剂注入到阱内，N型掺杂剂注入到所述第一离子注入层内，P型掺杂剂注入到所述第二离子注入层内，所述MOS晶体管是NMOS晶体管。
6、权利要求5所述的CMOS图像传感器，其特征在于，硼离子注入到所述第二离子注入层内。
7、权利要求5所述的CMOS图像传感器，其特征在于，BF2离子注入到所述第二离子注入层内。
8、权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述半导体衬底为P型衬底，所述MOS晶体管是NMOS晶体管，所述导电电极连接至地电位。
9、权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述半导体衬底为N型硅衬底，N型掺杂剂注入到所述阱中，P型掺杂剂注入到所述第一离子注入层中，N型掺杂剂注入到所述第二离子注入层中，所述MOS晶体管是PMOS晶体管。
10、权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述半导体衬底为N型衬底，所述MOS晶体管是PMOS晶体管，所述导电电极连接至电源电压。
11、一种制造CMOS图像传感器的方法，包括：
形成光电二极管，该光电二极管包括在半导体衬底中形成的具有第一导电类型的阱、形成在所述半导体衬底中的具有与所述阱的第一导电类型相反的导电类型的第一离子注入层以及邻近所述半导体衬底的最高表面并且在所述第一离子注入层上方形成的具有第一导电类型的第二离子注入层；
在所述半导体衬底表面上形成绝缘层以覆盖所述第一离子注入层和所述第二离子注入层；
在所述绝缘层中形成导电电极，所述导电电极对可见光线透明；以及
在所述绝缘层中形成与所述导电电极分离的MOS晶体管的栅电极。
12、根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述绝缘层由对可见光线透明的氧化层形成。
13、根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述半导体衬底为P型硅衬底。
14、根据权利要求13所述的方法，其特征在于，进一步包括将P型掺杂剂注入到所述阱内，将N型掺杂剂注入到所述第一离子注入层内，将P型掺杂剂注入到所述第二离子注入层内。
15、根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述MOS晶体管是NMOS晶体管。
16、根据权利要求15所述的方法，其特征在于，将硼和BF2离子至少其中之一注入到该第二离子注入层内。
17、根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述半导体衬底为P型衬底，所述MOS晶体管是NMOS晶体管，所述导电电极连接至地电位。
18、根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述半导体衬底为N型硅衬底，将N型掺杂剂注入到所述阱中，将P型掺杂剂注入到该第一离子注入层中，将N型掺杂剂注入到所述第二离子注入层中，所述MOS晶体管是PMOS晶体管。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20091202 Termination date: 20130912 |