CN101136421B - 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，其通过驱动晶体管的栅极中的PN结形成耗尽层，以提高对蓝光的灵敏度。形成在栅极的上部的耗尽层提高了CMOS图像传感器对蓝光的灵敏度。

Description

CMOS图像传感器及其制造方法
背景技术
图像传感器已经广泛应用于许多领域，例如机器视觉、机器人、人造卫星相关装置、汽车、航海、导航、蜂窝电话等。通常，在图像传感器中，形成图像帧的多个像素是以两维排列的。
图像传感器的原理简言之就是，从物体反射回来的光首先被光电转换器吸收然后通过光电效应产生电子。所产生的电子与所吸收的光的量成比例，并且所产生的电子聚积在形成于半导体衬底上的光电转换器中，然后被通过读取操作读取。
作为示例，光电二极管可用作所述光电转换器，并且在图像传感器的像素单元中可以使用三个以上或四个以上的晶体管。下文中，将参照附图描述具有三个晶体管的CMOS图像传感器的电路。
示例图1为具有三个晶体管的CMOS图像传感器的电路图。CMOS图像传感器包括光电二极管(PD)、复位晶体管(Rx)、驱动晶体管(Dx)以及选择晶体管(Sx)。由于光电二极管与起作源极跟随器作用的驱动晶体管Dx的栅极连接，因此可以理解该栅极的电位与光电二极管PD的电位相同。
示例图2为具有三个晶体管的图像传感器的截面图。参见示例图2，在半导体衬底200上在掺杂有P型杂质的像素区域中，形成以浅沟槽隔离(STI)而隔离的并掺杂有N型杂质的N型光电二极管。在N型光电二极管(PDN)的上部形成通过再次离子注入P型杂质而形成的P型光电二极管(PDP)。另外，光电二极管通过金属布线连接到驱动晶体管Dx的栅极(G)。
光电二极管包括在PDP与PDN接触的区域中通过PN结形成的耗尽层(DL)。耗尽层(DL)根据从外部源所施加的反向偏置向PDN的内部和外部扩展。当对应于实际图像的光照射时，耗尽层(DL)导致与所照射的光的光电反应，以产生电子。
如上所述，通过与照射光反应而从耗尽层(DL)产生的电子的量，决定图像传感器对光的灵敏度或传感能力。因此，耗尽层(DL)对应于照射光所产生电子的量是决定图像传感器灵敏度的重要因素。
特别是，在蓝光的情况下，由于其与绿光或红光相比不深入衬底内部，因此在多基色图像传感器中形成表面附近的大尺寸耗尽层是有利的。
然而，由于提高器件集成度也是期望的，因此不期望增加包括耗尽层的光电二极管的结构或通过改变光电二极管的结构增加耗尽层(DL)。
发明内容
本发明的实施例涉及提高CMOS图像传感器的蓝/绿比的方法。根据该方法，在导电半导体衬底的有源区域上形成栅极，并且还在有源区域上形成光电二极管。然后在栅极中形成耗尽层；以及将光电二极管和栅极电连接。
根据本发明的一个方面，涉及一种CMOS图像传感器，包括：具有有源区域的导电半导体衬底；形成在所述有源区域上的光电二极管；形成在有源区域上的栅极；以及形成在所述栅极中并与所述光电二极管电连接的耗尽层，所述耗尽层包括：第一导电杂质掺杂层，第二导电杂质掺杂层；以及在第一导电杂质掺杂层和第二导电杂质掺杂层之间的结部分。
根据本发明的另外一个方面，涉及一种制造CMOS图像传感器的方法，包括：在导电半导体衬底的有源区域上形成栅极；在所述有源区域上形成光电二极管；在所述栅极中形成耗尽层；以及将所述光电二极管与所述栅极电连接。
附图说明
示例图1为示出CMOS图像传感器的图像传感器的电路图；
示例图2为CMOS图像传感器的截面图；
示例图3为根据本发明实施例的CMOS图像传感器的截面图；
示例图4a至4c为表示根据本发明实施例制造CMOS图像传感器的方法的截面图；以及
示例图5为根据本发明实施例的CMOS图像传感器中驱动晶体管的栅极的平面图。
具体实施方式
示例图3为示出根据在此所描述的实施例的具有三晶体管结构的CMOS图像传感器的截面图。
参见图3，CMOS图像传感器包括形成在通过掺杂以P型杂质而形成的P型半导体衬底300上的PDN区域330。另外，在PDN 330上设置包括P型杂质的PDP区域340。
如示例图1中所述，在具有三个晶体管的CMOS图像传感器中的光电二极管330通过金属布线350与驱动晶体管(DX)的栅极360连接。另外，通过在其上部的P型区域361和在其下部的N型区域363之间的PN结，在栅极360内部设置有耗尽层362。
在多基色图像传感器的情况下，其利用三种不同颜色的光例如绿、蓝和红光；因为这些光具有不同波长，所以对每种颜色产生光电效应的每个耗尽层的厚度是不同的。
例如，对于绿光的半吸收深度大约为0.79μm，对于蓝光大约为0.01μm，而对于红光大约为3.0μm。这样，蓝光的半吸收深度最短。因此，三种光中蓝光通过与最浅厚度的耗尽层光电反应产生光电荷。
一种用于表示图像传感器利用蓝光的特性的灵敏度或传感能力的数值是蓝/绿比(B/G)。B/G越高，图像传感器对蓝光的反应性越好。
当蓝光照射到耗尽层上时，如果在像素单元的耗尽层中所产生的电子越多，则图像传感器对所产生的电子的反应性越好。从而，B/G比也越高。
在CMOS图像传感器的像素单元的操作中，当蓝光进入图像传感器的像素单元，光电二极管以及栅极360的耗尽层362根据光电效应产生电子。
此后，通过耗尽层362所产生的电子，通过金属布线350，与和蓝光反应而从光电二极管产生的电子耦合，以增加像素单元中所产生的电子的量，从而增加了B/G比。
下面参照附图详细描述根据本发明的CMOS图像传感器的制造过程。示例图4a至4d是示出了根据本发明实施例的图像传感器的制造方法。
参见示例图4a，在P型半导体衬底上形成限定有源区域和场区的器件隔离区域(STI)。然后，在P型半导体衬底的预定有源区域上形成驱动晶体管的栅极420。为了便于解释，复位晶体管和选择晶体管未被示出并且其描述也被省略。通常，在上述具有三个晶体管的CMOS图像传感器的制造工艺中，形成栅极420并使得能继续形成光电二极管。栅极420是通过堆叠栅极氧化物膜(未示出)并在栅极氧化物膜上堆叠多晶硅将使多晶硅形成图案，然后掺杂以N型杂质的步骤形成的。
参见示例图4b，通过在半导体衬底的预定有源区域上掺杂N型杂质形成PDN 410和栅极420。然后，通过在邻近栅极420两侧的半导体衬底上注入N型杂质，形成源极401和漏极402。
参见示例图4c，为提高图像传感器的灵敏度，通过在PDN 410上掺杂P型杂质形成PDP 440。
另外，栅极420离子注入有P型杂质。因此，注入有N型杂质的栅极420的上部具有P型结构423，使得通过上部的P型结构423和下部的N型结构421之间的PN结在栅极420的内部设置有耗尽层422。
形成P型光电二极管的工艺过程440和形成栅极420的耗尽层422的工艺过程可以通过一个注入工艺过程或多个单独的注入工艺过程进行。
在进行该工艺过程后，驱动晶体管的栅极420例如通过示例图3所示的金属布线350与光电二极管连接。这样，从栅极420的耗尽层产生的电子就与从光电二极管产生的电子耦合。从而，增加了图像传感器对蓝光的灵敏度，从而增加B/G比。
根据这里所述的实施例，在将P型杂质离子注入到驱动晶体管的栅极420的工艺过程并不在栅极420的整个区域上进行。结果，栅极的整个截面的一些区域中没有形成耗尽层422。
示例图5是示出了根据在此所述的实施例的CMOS图像传感器中驱动晶体管的栅极内耗尽层的平面图。
参见图5，栅极的整个表面500的一部分510没有形成耗尽层。
没有形成耗尽层的部分510后来形成有用于栅极的接触(未示出)。栅极下部的第二导电区域和半导体衬底的其它元件通过该接触进行电接触。
根据上述实施例的CMOS图像传感器与现有技术的图像传感器相比，增加了与蓝光反应的耗尽层的面积。因此，对蓝光的反应性增加，从而增加了B/G比。
本说明书中所提及的“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”等都意味着结合该实施例所描述的特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书中多处出现的这样的术语不必表示相同的实施例。而且，当结合任意实施例描述特定特征、结构或特性时，认为结合这些实施例中的一些来实现这种特征、结构或特性是在本领域技术人员的理解范围内的。
尽管已经参照多个示例性实施例进行了描述，但应当理解本领域技术人员能设计出落在本发明公开的原理的精神和范围内的各种变化和修改。尤其是，在本说明书、附图以及所附权利要求的范围内对组成部件和/或主题合并排列上进行各种变化和修改都是可能的。除了组成部分和/或排列的变化之外，替换使用对于本领域技术人员也是显而易见的。

Claims (12)

1.一种CMOS图像传感器，包括：
具有有源区域的导电半导体衬底；
形成在所述有源区域上的光电二极管；
形成在有源区域上的栅极；
以及
形成在所述栅极中并与所述光电二极管电连接的耗尽层，所述耗尽层包括：
第一导电杂质掺杂层，
第二导电杂质掺杂层；以及
在第一导电杂质掺杂层和第二导电杂质掺杂层之间的结部分。
2.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，进一步包括限定所述有源区域的器件隔离区域。
3.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中所述第一导电杂质掺杂层被设置在所述第二导电杂质掺杂层上。
4.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中第一导电杂质掺杂层全部被掺杂。
5.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中所述第一导电杂质掺杂层的第一部分被掺杂，而所述第一导电杂质掺杂层的第二部分没有被掺杂。
6.如权利要求5所述的CMOS图像传感器，进一步包括通过所述第二部分形成的接触部分。
7.一种制造CMOS图像传感器的方法，包括：
在导电半导体衬底的有源区域上形成栅极；
在所述有源区域上形成光电二极管；
在所述栅极中形成耗尽层；以及
将所述光电二极管与所述栅极电连接。
8.如权利要求7所述的制造CMOS图像传感器的方法，其中形成光电二极管的步骤进一步包括：
通过将第二导电杂质离子注入到所述有源区域中，形成第二导电光电二极管区域；以及
在所述第二导电光电二极管区域中形成第一光电二极管导电区域，其中所述第一光电二极管导电区域具有第一导电杂质。
9.如权利要求7所述的制造CMOS图像传感器的方法，其中形成该耗尽层的步骤进一步包括：
将第一导电杂质离子注入到所述栅极中；以及
将第二导电杂质离子注入到所述栅极中。
10.如权利要求9所述的制造CMOS图像传感器的方法，其中形成光电二极管的步骤进一步包括：
通过将第二导电杂质离子注入到所述有源区域中，形成第二导电光电二极管区域；以及
在所述第二导电光电二极管区域中形成第一光电二极管导电区域，其中该第一光电二极管导电区域具有第一导电杂质。
11.如权利要求10所述的制造CMOS图像传感器的方法，其中将第一导电杂质离子注入到所述栅极中，并同时进行形成所述第一导电光电二极管区域。
12.如权利要求7所述的制造CMOS图像传感器的方法，其中形成所述耗尽层以使所述耗尽层没有延伸过整个栅极。
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