CMOS图像传感器及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种CMOS图像传感器件,特别涉及一种CMOS图像传感器件及其制造方法。
背景技术
CMOS图像传感器已成为主导的固态成像技术,这主要是由于相对于电荷藕合器件(CCD)成像器件,它们的成本较低。此外,对某些应用来说,CMOS器件的性能更加优异。CMOS器件中的像素元可以做得比较小,因此可以提供比CCD图像传感器高的分辫率。此外,信号处理逻辑电路可以与成像电路并排集成,这样就可用单个的集成芯片形成一个完整的独立成像器件。
CMOS图像传感器是指在每个像素内都具有有源器件如晶体管的图像传感器。常规的CMOS图像传感器典型地采用光电二极管作为该图像传感元件。最常见的有源图像传感器结构包括三个晶体管和一个N+/P一阱(N+/P一well)光电二极管,其中所述三个晶体管分别为复位晶体管、源跟随器、行选通管。所述复位晶体管与光电二极管构成光电二极管区,所述源跟随器与行选通管构成逻辑区。由于其中的光电二极管区的结构与标准的CMOS制造过程兼容,因此这种设计具有相对大的暗电流(即:在暗环境中从像素输出的电流)的缺点。
有源像素具有弱的暗电流是所需要的。由于没有足够的能力辨别亮和暗的条件,因此过大的暗电流会降低该CMOS图像传感器的动态范围。此外,暗电流还可造成CMOS图像传感器中的“白像素”缺陷,即:一个像素总是输出一个大的信号。通常为了消除暗电流,CMOS图像传感器的光电二极管区的光电二极管被设计为针形(pinned)或者掩埋型。
图1为公知技术US专利第5,625,210号的含有针形光电二极管的CMOS图像传感器。第5,625,210号提出的常规APS的单元像素的电路图。APS使用MOS电容器结构的光门(photogate)来收集光电电荷。为将在光门下面产生的电荷转移到浮动扩散区22,APS包括转移晶体管。同时,APS还包括复位晶体管24、漏扩散区、用作源极跟随器的驱动晶体管2、用以选择像素阵列排的选择晶体管和负载晶体管。其主要特点是光敏区22没有被场氧化区覆盖,因此该光电二极管具有极好的灵敏度和光-电量子效率。特别是,短波长、蓝光的灵敏度明显提高。然而,场氧化区底部和边缘却存在暗电流。
图2是美国专利6,649,950号揭示的含有掩埋型的光电二极管的CMOS图像传感器。该光电二极管设置在Fox下方,因此可以消除了Fox底部的暗电流。但是,Fox边缘依然存在暗电流,此外,由于该光电二极管基本上被一个覆盖层结构所覆盖,因此对光的敏感度较低。
为此,需要提供一种暗电流低且光敏感度高的CMOS图像传感器。
发明内容
因此,本发明的目的是提供一种暗电流低且光敏感度高的CMOS图像传感器,以解决现有的CMOS图像传感器暗电流高或者光敏度低的问题。
为了实现上述目的,本发明提供了一种CMOS图像传感器,包括光电二极管区和逻辑区,所述光电二极管区包括场氧化区以及有源区,在所述有源区上形成有复位晶体管与光电二极管,所述复位晶体管具有阱区、栅极、源漏极,所述光电二极管具有第一极与第二极,其特征在于:所述第一极具有环绕场氧化区下方及侧壁的掩埋区,以及至掩埋区上端向复位晶体管方向延伸的针形区。
所述第一极为P极。
所述第二极为N极。
所述场氧化区为浅沟槽隔离区。
所述复位晶体管为NMOS管。
所述逻辑区包括源跟随器与行选通管,所述源跟随器与行选通管为NMOS管。
所述复位晶体管的栅极两侧分别形成有源极与漏极。
所述第一极离子浓度为每平方厘米1E12-5E13个原子。
所述第一极离子深度为200埃~2000埃。
所述第二极离子浓度为每平方厘米1E11-5E12个原子。
所述第二极离子深度为3000埃-8000埃。
另外,本发明提供了一种CMOS图像传感器的制造方法,包括:
在半导体衬底内形成限定场氧化区和有源区的沟槽;
蚀刻邻近沟槽的有源区形成掺杂区;
在沟槽及掺杂区的下方注入第一杂质离子形成光电二极管的第一极的掩埋区及针形区;
在邻近第一极处形成复位晶体管的阱区;
在所述沟槽内填入硅氧化物质形成场氧化区;
在所述第一极的上方注入第二杂质离子形成光电二极管的第二极;
在所述阱区上形成复位晶体管的栅极;
在所述栅极两侧注入第三杂质离子形成复位晶体管的源漏极;以及
形成逻辑区。
所述沟槽隔离的工艺是浅沟槽隔离工艺。
所述第一杂质离子为P型杂质离子,所述光电二极管的第一极为P极。
所述第二杂质离子为N型杂质离子,所述光电二极管的第二极为N极。
所述第一杂质离子注入浓度为每平方厘米1E12-5E13个原子。
所述第二杂质离子注入浓度为每平方厘米1E11-5E12个原子。
所述第一杂质离子注入深度为200埃-2000埃。
所述第二杂质离子注入深度为3000埃-8000埃。
所述阱区为P阱区。
所述第三杂质离子为N型杂质离子。
在本发明的CMOS图像传感器的制造方法中,在沟槽及掺杂区的下方注入第一杂质离子形成光电二极管的第一极的掩埋区及针形区的方法,使得掩埋区环绕场氧化区的底壁及侧壁,针形区从掩埋区的上端向复位晶体管的方向水平延伸。
由于本发明的光电二极管第一极的掩埋区环绕场氧化区的底壁及侧壁,从而使光电二极管的节与场氧化区相隔离,有效防止了场氧化区底壁与侧壁的暗电流。此外,本发明的光电二极管第一极的针形区从掩埋区的上端向复位晶体管的方向水平延伸,未被场氧化区覆盖,因此具有较好的光敏感度,特别是对短波长、蓝光的灵敏度较高。因此,本发明的CMOS图像传感器具有暗电流低、光敏感度高的优点。
附图说明
图1是现有技术的含有公知的针形光电二极管的CMOS图像传感器;
图2是另一现有技术的含有公知的掩埋型的光电二极管的CMOS图像传感器;
图3是本发明的CMOS图像传感器中的单位像素的布置图;
图4是本发明的CMOS图像传感器中的单位像素的电路图;
图5是沿图3的线I-I的截面图;
图6是沿图3的线II-II的截面图;以及
图7A到图7I是图5的制造方法的剖面图。
具体实施方式
本发明的CMOS图像传感器,包括光电二极管区和逻辑区。所述逻辑区包括源跟随器与行选通管。所述光电二极管区,采用非标准的制造方法,包括场氧化区以及有源区,在所述有源区上形成有复位晶体管与光电二极管。所述光电二极管具有第一极与第二极,其中所述第一极具有环绕场氧化区下方及侧壁的掩埋区,以及至掩埋区上端向复位晶体管方向延伸的针形区。掩埋区将光电二极管的节与场氧化区底部和边缘隔离,从而消除了场氧化区底部和边缘可能存在的暗电流。针形区由于没有被场氧化区覆盖,而对光具有极高的敏感度。
图3所示为本发明的CMOS图像传感器中的单位像素的布置图。如图3所示,本发明的CMOS图像传感器的单元像素包括一个光电二极管区与一个逻辑区。其中所述光电二极管区包括复位晶体管T1与光电二极管PD。所述逻辑区包括:源跟随器T2与行选通管T3。复位晶体管T1用于复位由光电二极管PD收集的光电荷。源跟随器T2起到源跟随器缓冲放大器的作用。行选通管T3起到开关的作用,以能够寻址。
图4所示为本发明的CMOS图像传感器中的单位像素的电路图。如图4所示,本发明的CMOS图像传感器中的单位像素的工作过程是:首先进入“复位状态”,T1打开,对光电二极管复位;然后进入“取样状态”,T1关闭,光照射到光敏二极管上产生光子,并通过源跟随器T2放大输出;最后进入“读出状态”,这时行选通管T3打开,信号输出。其中光电二极管是基于这样的原理工作的:反向偏置p-n结二极管来形成耗尽区。半导体的特性是,相应于可见光光子的入射,耗尽区的内和外都生成电子一空穴对。随后,光子所生成的电子一空穴对通过扩散和漂移机理被清走,并被收集在耗尽区内,从而感应一个代表所需图像一部分(一个“像素”)的光电流。
图5所示为沿图3的线I-I的截面图。如图5所示,光电二极管区1具有场氧化区(STI)16以及有源区(active area)。光电二极管PD和复位晶体管T1形成在所述有源区。所述复位晶体管T1为NMOS管,其具有阱区17、栅极19、源极191与漏极192。栅极19两侧具有隔离物193。所述光电二极管具有第一极(例如P极15)与第二极(例如N极18)。所述P极15绕场氧化区16下方及侧壁的掩埋区151,以及至掩埋区上端向所述复位晶体管方向延伸的针形区152。环绕场氧化区16底壁及侧壁的掩埋区151将光电二极管的节与场氧化区16底部和边缘隔离,从而消除了场氧化区底部和边缘可能存在的暗电流。至掩埋区上端向所述复位晶体管方向延伸的针形区152,没有被场氧化区16覆盖,而对光具有极高的敏感度,特别是对短波长、蓝光的灵敏度较高。
图6是沿图3的线II-II的截面图。如图6所示,逻辑区2包括源跟随器T2与行选通管T3。其中源跟随器T2和行选通管T3为NMOS管,具有公知的NMOS管结构。具体地,在P型衬底上形成有场氧化区21,限定了有源区,所述源跟随器T2和行选通管T3形成于所述有源区上。其中,本实施例中源跟随器T2和行选通管T3具有相同的结构,因此本处仅以源跟随器T2为例进行介绍。源跟随器包括形成与所述P型衬底上的P阱区,在所述P区阱的上方形成有栅氧化膜24,在栅氧化膜24的上方形成有栅极23,在栅极23两侧形成有隔离物25,在隔离物25下方位于P型衬底内形成有栅极23的源漏极。
本发明的CMOS图像传感器的制造方法中,先形成光电二极管区,然后形成逻辑区。因为逻辑区的源跟随器与行选通管均为公知的NMOS,其制造流程为公知的技术,为此,在本发明的实施例中不再赘述逻辑区的制造方法。在本实施例中以下将重点介绍本发明的光电二极管区的制造方法。
本发明的CMOS图像传感器的光电二极管区的制造方法,包括:1)在半导体衬底上沉积氮化硅层;2)在半导体衬底内形成限定场氧化区和有源区的沟槽;3)蚀刻邻近沟槽的有源区形成掺杂区;4)在沟槽及掺杂区的下方注入第一杂质离子形成光电二极管的第一极的掩埋区及针形区;5)在所述沟槽内填入硅氧化物质形成场氧化区;6)在邻近光电二极管区形成复位晶体管的P阱;7)在所述第一极的上方注入第二杂质离子形成光电二极管的第二极;8)在所述P阱上方形成复位晶体管的栅极;9)在栅极两侧注入N型离子形成复位晶体管的源漏极;10)在栅极两侧形成隔离物用于再次注入N型离子的掩膜;11)再次注入N型离子。其中,在步骤4中,形成光电二极管的第一极的掩埋区和针形区的方法,使得掩埋区能够环绕场氧化区的底壁以及侧壁,从而将光电二极管的节与场氧化区底部和边缘隔离,从而消除了场氧化区底部和边缘可能存在的暗电流,使得针形区至掩埋区的上端向复位晶体管的方向延伸,而未被场氧化区覆盖,因此对光具有极高的敏感度,特别是对短波长、蓝光的灵敏度较高。
下面结合图7A至图7I具体说明本发明的CMOS图像传感器的光电二极管的制造方法。在步骤1中,如图7A所示,在半导体衬底(例如P型衬底11)上,沉积一层氮化硅(SixNy)层12,这种沉积是与本发明主题有关的领域的普通技术人员所公知的。在步骤2中,如图7B所示,为了器件隔离的目的,利用沟槽隔离工艺形成限定场区和有源区的沟槽13(在本实施例子中使用浅沟槽隔离(STI)的工艺形成沟槽),这种隔离是与本发明主题有关的领域的普通技术人员所公知的。在步骤3中,如图7C所示,蚀刻邻近沟槽13的有源区形成掺杂区14。在步骤4中,如图7D所示,在沟槽及掺杂区的下方注入第一杂质离子(例如P型杂质离子)形成光电二极管的第一极(例如P极15)的掩埋区151及针形区152,所述P型杂质离子注入深度(例如为200埃-2000埃)由注入离子的速度与能量来控制,所述P型杂质离子注入浓度为每平方厘米1E12-5E13个原子。在步骤5中,如图7E所示,在所述沟槽13内填入硅氧化物质形成场氧化区16。在步骤6中,如图7F所示,在邻近光电二极管区注入P型杂质离子,形成复位晶体管的P阱区17,其中所述离子注入深度为3000埃-8000埃,浓度为每平方厘米1E11-5E12个原子。在步骤7中,如图7G所示,在所述光电二极管的P极15的上方注入第二杂质离子(例如N型杂质离子)形成光电二极管的第二极(N极18)。在步骤8、9中,如图7H所示,在所述P阱上方形成复位晶体管的栅极19,在所述栅极19两侧下方的有源区内注入N型离子,形成复位晶体管的源极191与漏极192。在步骤10、11中,如图7I所示,在栅极两侧形成隔离物193用作再次注入N型离子的掩膜;再次在源漏极处注入N型离子。
其中,在步骤4中,形成光电二极管的P极15的掩埋区151及针形区152的方法,使得掩埋区151能够环绕场氧化区13的底壁以及侧壁,从而使光电二极管的节与场氧化区隔开,有效防止了场氧化区底壁与侧壁的暗电流,使得针形区152从掩埋区151的上端向复位晶体管的方向水平延伸,未被场氧化区覆盖,因此具有较好的光敏感度。
本发明不限于上述的实施方式。本领域任何一般技艺人士根据本发明所做出的任何非创造性改进,均落在本发明的保护范围内。