CN101211940A - Cmos图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种CMOS图像传感器，其包括：形成于半导体层上的外延层；形成于外延层上的器件隔离层，以将隔离层划分为有源区域和器件隔离区域；有源区域，其包括光电二极管区域和晶体管区域；驱动晶体管，其包括形成于外延层上的栅极以及形成于栅极两侧壁上的栅间隔垫；浮置扩散区域，其形成于外延层上；隧道孔，其形成于光电二极管区域和浮置扩散区域之间区域中的器件隔离层和外延层中；多晶硅线，其形成于从栅极延伸至驱动晶体管的隧道孔中；以及杂质扩散区，其通过离子注入栅间隔垫各侧上的外延层而形成。
Description
本申请要求享有2006年12月29日提出的韩国专利申请No.10-2006-0137342的权益，在此结合其全部内容作为参考。
技术领域
本发明涉及一种CMOS图像传感器。更具体地说，本发明涉及一种CMOS图像传感器及其制造方法，在其中简化了用于电连接浮置扩散区域和图像传感器的驱动晶体管的配线。
背景技术
图像传感器是一种用于将光学图像转换为电信号的器件。通常，当前应用于工艺中的图像传感器或者为互补金属氧化硅(CMOS)图像传感器或者为电荷耦合器件(CCD)图像传感器。
CCD图像传感器具有极好的光敏感性和噪声特性，但是难于将其合并到高集成度器件中，而且和CMOS图像传感器相比其具有相对较高的耗能率。另一方面，CMOS图像传感器具有比较简单的工艺和较低的耗能率，这使其更适于在高度集成器件中。
最近，已发展出一种制造半导体器件的技术，其中，CMOS图像传感器具有改进的特性。由于这些发展，引起了人们对CMOS图像传感器的极大关注。
通常，CMOS图像传感器包括：能够接收光的光电二极管以及能够控制从光电二极管输入的图像信号的晶体管。根据晶体管的数量，CMOS图像传感器分为三T型或四T型。这里，三T型传感器包括一个光电二极管和三个晶体管，而四T型具有一个光电二极管和四个晶体管。
图1中所示为现有技术的四T型CMOS图像传感器，四T型CMOS图像传感器包括形成于有源区域1中的光电二极管区域(PD)，在具有最广阔区域的有源区域1的部分。图像传感器也包括转移晶体管(Tx)、复位晶体管(Rx)、以及驱动晶体管(Dx)，驱动晶体管形成以在除了光电二极管区域以外的区域中与有源区域1相重叠
图2示出了CMOS图像传感器的各层。CMOS传感器包括P型外延层4，P型外延层4形成于P++型半导体衬底2上。另外，传感器包括：器件隔离层6、栅极10、栅氧化膜12和栅间隔垫14、n-型扩散区域16、n+型扩散区域18、层间电介质层26、第一和第二接触孔20和30、第一和第二接触插栓22和32、以及金属线(wiring)24。
在设置光电二极管区域(PD)、有源区域1、以及器件隔离区域的位置，器件隔离层6形成于半导体衬底2的器件隔离区中。
栅极10形成于栅隔离层8上，栅隔离层8形成于外延层4上，以便形成转移晶体管(Tx)和驱动晶体管(Dx)。栅氧化膜12和栅间隔垫14形成于栅极10的两侧壁上。
n-型扩散区域16形成于光电二极管区域(PD)的外延层4中。而n+型扩散区域18形成于各个晶体管(Tx，Rx，Dx)之间的有源区域1。
层间电介质层26形成于外延层4上，以覆盖包括栅间隔垫14的栅极10，并形成第一接触孔20从而穿透层间电介质层26以暴露浮置扩散区(FD)。形成第二接触孔，从而穿透层间电介质层26，以暴露驱动晶体管(Dx)的栅极10。第一和第二接触插栓22和32形成于层间电介质层26的第一和第二接触孔20和30中，并且金属线24形成于第一和第二接触插栓22和32上，以使浮置扩散区域(FD)和驱动晶体管(Dx)的栅极10电接触。
光电二极管(PD)感应入射光，以根据光的量在感应器中产生电荷。转移晶体管(Tx)将从光电二极管(PD)产生的电荷转移至浮置扩散区(FD)。在转移电荷之前，浮置扩散区域(FD)将电子从光电二极管(PD)移动到复位晶体管(Rx)，以导通复位晶体管。随后，将浮置扩散区域(FD)设置在预定的低电荷值。复位晶体管(Rx)释放储存在浮置扩散区域(FD)中的电荷，从而探测信号。驱动晶体管(Dx)将电荷转换为电压信号。通常，应用金属线，以连接浮置扩散区域(FD)和驱动晶体管(Dx)。
对照四T型CMOS图像传感器，图3中示出了现有技术中公知的三T型CMOS图像传感器。三T型CMOS图像传感器包括：形成于有源区域最广阔部分的光电二极管区域(PD)，复位晶体管(Rx)，以及驱动晶体管(Dx)，驱动晶体管形成以在除了光电二极管区域(PD)以外的区域中与有源区域重叠。在三T型CMOS图像传感器中，金属线用于电连接光电二极管(PD)和驱动晶体管(Dx)。
金属线40通过第一接触插栓和第二接触插栓(未示出)而电连接到多种元件。第一接触插栓形成于其中暴露驱动晶体管(Dx)的栅极的第一接触孔42中，而第二接触插栓形成于暴露光电二极管(PD)的第二接触孔44中。
应用这些配置，三T型和四T型图像传感器将从光电二极管区域(PD)产生的电荷转变成驱动晶体管(Dx)处的电压信号。这里，应用金属线24和40以将光电二极管(PD)或浮置扩散区域(FD)与驱动晶体管(Dx)电连接。
制造现有技术的CMOS图像传感器的一个难点是，金属线的制造是复杂的。另外，在不增加CMOS传感器中的层数的情况下，没有足够的空间形成用于连接诸如外围晶体管的附加元件的附加金属线。
发明内容
本发明意于通过提供一种制造CMOS图像传感器的方法解决上述问题，其中通过简化传感器中电连接浮置扩散区域和驱动晶体管的配线，该CMOS图像传感器具有减少的层数。
为了达到上述目的，本发明一方案是CMOS图像传感器，其包括：外延层，其形成于半导体层上；器件隔离层，其形成于外延层上，以将外延层划分为有源区域和晶体管区域，该有源区域包括光电二极管区域；驱动晶体管，其包括形成于外延层上的栅极以及形成于栅极两侧壁上的栅间隔垫；浮置扩散区域，其形成于外延层上；隧道孔，其形成于光电二极管区域和浮置扩散区域之间的器件隔离层和外延层中；多晶硅线，其形成于从栅极延伸至驱动晶体管的隧道孔中；以及杂质扩散区，其由将离子注入栅间隔垫侧部上的外延层中形成。
为了实现上述配置，本发明的另一方案为一种制造CMOS图像传感器的方法，该方法包括：在半导体层上形成外延层；在外延层上形成器件隔离层，以将外延层划分为有源区域和器件隔离区域，该有源区域包括光电二极管区域和晶体管区域；在光电二极管区域和浮置扩散区域之间的器件隔离层和外延层中形成隧道孔；在驱动晶体管区域中，在外延层上的栅隔离层上形成栅极；在从栅极延伸至并将栅极直接连接到光电二极管区域或浮置扩散区域的隧道孔中形成多晶硅线；在栅极的侧壁上形成栅间隔垫；以及通过将离子注入栅间隔垫各侧上的外延层，而形成杂质扩散区。
附图说明
这里包括附图，以提供对本发明的进一步理解，并且附图包含在说明书中并构成说明书的一部分。附图示出了本发明的实施方式并且与说明书一起用于解释本发明的原理。在附图中：
图1为示出了根据现有技术的四T型CMOS图像传感器的平面视图；
图2为沿图1中所示的A-A’线提取的CMOS图像传感器的横截面图；
图3为示出了根据现有技术的三T型CMOS图像传感器的平面视图；
图4为示出了根据本发明的第一实施方式的CMOS图像传感器的平面视图；
图5为沿图4中所示的B-B’和C-C’线提取的CMOS图像传感器的横截面视图；
图6a至图6d为示出了制造图4中所示的CMOS图像传感器的方法的示意图；
图7为示出了根据本发明的第二实施方式的CMOS图像传感器的平面视图；
图8为制造图6中所示的CMOS图像传感器的方法的平面视图。
具体实施方式
除上述目的以外的本发明的其它目的和特征将通过参照附图对实施方式的描述变得显而易见。
将参照图4至图8描述本发明的优选实施方式。
图4为示出了根据本发明的第一实施方式的CMOS图像传感器的示意性平面图，而图5为沿图4中所示的B-B’和C-C’线提取的CMOS图像传感器的横截面图。
参照图4和图5，在根据本发明实施方式的四T型CMOS图像传感器中，隧道孔116形成于浮置扩散区域FD和器件隔离层106中，以连接浮置扩散区域(FD)与驱动晶体管(Dx)。随后，当各晶体管(Tx，Rx，Dx)的栅极形成后，将多晶硅线118填充进隧道孔116。
本发明的四T型CMOS图像传感器包括：光电二极管区域(PD)、转移晶体管(Tx)、驱动晶体管(Dx)、复位晶体管(Rx)、浮置扩散区域(FD)、P型外延层104、器件隔离层106、隧道孔116、栅极110、多晶硅线118、栅氧化膜112和栅间隔垫114，以及n+扩散区域(120)。
光电二极管区域(PD)能够感应光，其形成于具有很大区域的部分有源区域101中。
形成转移晶体管(Tx)以与有源区域101以及光电二极管区域相重叠，转移晶体管能将从光电二极管产生的电荷，转移到浮置扩散区域(FD)。驱动晶体管(Dx)连接到浮置扩散区域(FD)，并能将来自光电二极管区域(PD)的电荷转换为电压信号。复位晶体管(Rx)释放储存在浮置扩散区域(FD)中的电荷。浮置扩散区域(FD)位于转移晶体管(Tx)与复位晶体管(Rx)之间，并能以预定的低电荷状态储存来自光电二极管区域的电荷。
P型外延层104形成于P++型半导体衬底102上。
器件隔离层106在光电二极管区域(PD)、有源区域101以及器件隔离区域都位于的半导体衬底102的器件隔离区域中形成。
隧道孔116在浮置扩散区域(FD)与驱动晶体管(Dx)之间的器件隔离层106和外延层104上形成。
驱动晶体管(Dx)的栅极110在外延层104上的栅绝缘层106上形成。
多晶硅线118与栅极110同时在隧道孔116中形成，以电连接浮置扩散区域(FD)与驱动晶体管(Dx)。栅氧化膜112和栅间隔垫114在栅极110的各侧壁上形成。
n+型扩散区域120在各晶体管(Tx，Rx，Dx)之间的有源区域101中形成。
现在将参照附图6A至6D对上述制造CMOS图像传感器的方法进行描述。首先，如图6A和6B所示，在高浓度P++型半导体衬底102上执行外延工艺，以形成低浓度P型外延层104。这里，外延层104在大且深的光电二极管区域中形成耗尽区，以增强低压光电二极管(PD)收集光电荷的能力，从而增强光敏感性。
随后，将半导体衬底102分为有源区域101和器件隔离区域，并且应用浅槽隔离(STI)工艺或硅的局部氧化(LOCOS)工艺在器件隔离区域中形成器件隔离层106。
其后，通过在光刻工艺中使用掩模，在其中在器件隔离层106形成的外延层104上执行构图工艺，以形成电连接浮置扩散区域(FD)与驱动晶体管(Dx)的隧道孔116。这里，隧道孔116还在浮置扩散区域(FD)与驱动晶体管(Dx)之间的区域中的器件隔离层106上形成。将隧道孔(116)形成为具有与如下所述的栅极110相同的厚度，即0.15至0.2μm深度。
随后，如图6C所示，栅隔离层108和栅极110在外延层104上形成，并多晶硅线118在隧道孔116中形成。更具体的，使用沉积方法，在外延层104上相继形成栅隔离层和栅金属层。这里，栅金属层也在隧道孔116中形成，以形成多晶硅线118。同时，多晶硅线118由和栅极110相同的多晶硅形成，并从栅极110延伸。因而，浮置扩散区域中的硅与多晶硅线118的多晶硅经由直接电连接而连接。
其后，在光刻工艺中，应用掩膜，将栅隔离层和栅金属层形成为预定图案，以形成栅隔离层108和栅极110。
然后，如图6D所示，在栅极110的两个侧壁上形成栅氧化膜112和栅间隔垫114。更具体的，在将栅氧化膜沉积于外延层104和栅极110上方后，应用光刻工艺和干法蚀刻工艺，执行构图，以形成栅氧化膜112。然后，在干法蚀刻工艺中，去除形成于栅极110的上部部分上的栅氧化膜112，以暴露栅极110的上部表面。
随后，在栅极110和栅氧化膜112上形成隔离层之后，执行回蚀工艺以在栅极110的两个侧壁上形成栅极间隔垫114。
其后，将n+型杂质离子注入栅间隔垫114的两侧的外延层104中，以形成n+型扩散区域120。
如上所述，在本发明中，隧道孔116形成于器件隔离层106和外延层104上，并形成多晶硅线118以从栅极110延伸。在与在隧道孔116中形成栅极110的相同工艺期间，形成多晶硅线118。
因为，应用附加组的配线电连接浮置扩散区域(FD)与驱动晶体管(Dx)不是必须的，所以本发明具有比现有技术更简单的配线构图，同时具有降低数目的层。
相似的方法也可应用到如图7所示的一个三T型CMOS图像传感器中。图7示出了根据本发明第二实施方式的三T型CMOS图像传感器，其中在器件隔离层134和光电二极管区域(PD)中，形成隧道孔130，以连接光电二极管区域(PD)和驱动晶体管(Dx)。多晶硅线132在用于形成栅极工艺中形成，并填充隧道孔130。
在图8中示出了，制造这种三T型CMOS图像传感器的方法。在这种方法中，在其中形成了器件隔离层134的外延层(未示出)上形成隧道孔130。通过利用掩膜使用光刻工艺执行构图工艺，在浮置扩散区域(FD)与驱动晶体管(Dx)之间的区域中，形成该隧道孔130。这时，形成隧道孔130以部分与光电二极管区域(PD)重叠。将隧道孔(130)形成为具有与各晶体管(Rx，Dx)的栅极相同的厚度，即0.15至0.2μm之间的深度。
其后，当形成各晶体管(Rx，Dx)的栅极时，在隧道孔中形成多晶硅线130，以从驱动晶体管(Dx)的栅极延伸。在这个例子中，多晶硅线由和栅极相同的多晶硅形成，多晶硅直接接连光电二极管(PD)的硅。
制造晶体管的随后工艺与在第一实施方式中描述的过程相同，所以本说明书省略。
如上所述，在本发明中，隧道孔130形成于器件隔离层134和光电二极管区域(PD)上，并且多晶硅线132连接到栅极。多晶硅线132以用于在隧道孔130中形成栅极的相同工艺形成。
因为，应用附加配线电连接光电二极管区域(PD)与驱动晶体管(Dx)不是必须的，所以本发明可在CMOS图像处理器中简化配线，并减少层数。
应当注意，虽然本发明的技术观点已按照优选的实施方式进行详细描述，还是包括了一些实施方式以描述本发明，而不是对本发明范围的限制。另外，本领域的普通技术人员可以理解，在不违背本发明的范围和宗旨的情况下，可对本发明做出各种变形。
如上所述，在CMOS图像传感器及其制造方法中，形成隧道孔，并以从栅极延伸的多晶硅线填充，其中栅极可在与形成驱动晶体管的栅极相同的工艺中形成。配线将浮置扩散区域(FD)或光电二极管区域(PD)与驱动晶体管(Dx)相连接。
在本发明中，不必增加分离的配线以将浮置扩散区域(FD)或光电二极管区域(PD)与驱动晶体管(Dx)电连接，所以CMOS图像传感器的配线可以简化，并减少层数。
另外，在本发明中，不需要用于分别连接各元件的固定设备或结构，意味着可以简化CMOS图像传感器的结构。
Claims (14)
1.一种互补型金属-氧化物-硅图像传感器，其特征在于，包括：
外延层，其形成于半导体层上；
形成于所述外延层上的器件隔离层，其将所述外延层划分为有源区域和器件隔离区域，所述有源区域包括光电二极管区域和晶体管区域；
驱动晶体管，其包括形成于所述外延层上的具有侧壁的栅极以及形成于所述栅极所述两侧壁上的栅间隔垫；
浮置扩散区域，其形成于所述外延层上；
隧道孔，其形成于所述光电二极管区域和所述浮置扩散区域之间的所述器件隔离层和所述外延层中；
多晶硅线，其形成于从所述栅极延伸至所述驱动晶体管的所述隧道孔中；以及
杂质扩散区，其通过将掺杂剂离子注入所述栅极侧部上的所述外延层中形成，其中所述栅间隔垫形成于所述栅极的侧壁上。
2.根据权利要求1所述的互补型金属-氧化物-硅图像传感器，其特征在于，将所述隧道孔形成在0.15至0.2μm之间的深度处。
3.根据权利要求1所述的互补型金属-氧化物-硅图像传感器，其特征在于，形成所述隧道孔，以与所述光电二极管区域或所述浮置扩散区域部分相重叠。
4.根据权利要求1所述的互补型金属-氧化物-硅图像传感器，其特征在于，用于形成所述杂质扩散区域的所述掺杂剂为n+型掺杂剂。
5.根据权利要求1所述的互补型金属-氧化物-硅图像传感器，其特征在于，进一步包括栅氧化膜，其形成于所述栅极和所述栅间隔垫之间。
6.一种制造互补型金属-氧化物-硅图像传感器的方法，其特征在于，包括：
在半导体层上形成外延层；
形成器件间隔层，用以将所述外延层划分为有源区域和器件隔离区域，所述有源区域包括光电二极管区域和晶体管区域；
在所述光电二极管区域和所述浮置扩散区域之间的所述器件隔离层及外延层中形成隧道孔；
在所述外延层上的驱动晶体管区域中的栅隔离层上形成具有侧壁的栅极；
在从所述栅极延伸至所述光电二极管区域或所述浮置扩散区域的所述隧道孔中形成多晶硅线；
在所述栅极的两侧壁上形成栅间隔垫；以及
通过将离子注入到所述栅间隔垫侧部上的所述外延层中，形成杂质扩散区域，其中所述栅间隔垫形成于所述栅极侧壁上。
7.根据权利要求6所述的制造互补型金属-氧化物-硅图像传感器的方法，其特征在于，所述多晶硅线与所述栅极同时形成。
8.根据权利要求6所述的制造互补型金属-氧化物-硅图像传感器的方法，其特征在于，将所述隧道孔形成在0.15至0.2μm之间的深度处。
9.根据权利要求6所述的制造互补型金属-氧化物-硅图像传感器的方法，其特征在于，形成所述隧道孔，以与所述光电二极管区域或所述浮置扩散区域部分相重叠。
10.根据权利要求6所述的制造互补型金属-氧化物-硅图像传感器的方法，其特征在于，进一步包括在所述栅极和所述栅间隔垫之间形成栅氧化膜。
11.根据权利要求6所述的制造互补型金属-氧化物-硅图像传感器的方法，其特征在于，所述杂质扩散区域是通过将n+型掺杂剂离子注入到所述栅间隔垫侧部上的所述外延层中形成的。
12.一种互补型金属-氧化物-硅图像传感器，其特征在于，包括：
外延层，其形成于半导体层上；
器件隔离层，其形成于所述外延层上，以将所述外延层划分为有源区域和器件隔离区域，所述有源区域包括光电二极管区域和晶体管区域；
驱动晶体管，其包括形成于所述外延层上的具有侧壁的栅极、形成于所述栅极所述两侧壁上的栅氧化膜，以及形成于所述栅氧化膜上的栅间隔垫；
浮置扩散区域，其形成于所述外延层上；
隧道孔，其形成于所述光电二极管区域和所述浮置扩散区域之间的所述器件隔离层和所述外延层中，所述隧道孔与所述光电二极管区域或所述浮置扩散区域部分相重叠；
多晶硅线，其形成于从所述栅极延伸至所述驱动晶体管的所述隧道孔中；以及
杂质扩散区，其由将掺杂剂离子注入所述栅间隔垫侧部上的所述外延层中形成，其中所述栅间隔垫形成于所述栅极的所述侧壁上。
13.根据权利要求12所述的互补型金属-氧化物-硅图像传感器，其特征在于，用于形成所述杂质扩散区域的所述掺杂剂为n+型掺杂剂。
14.根据权利要求12所述的互补型金属-氧化物-硅图像传感器，其特征在于，将所述隧道孔形成在0.15至0.2μm之间的深度处。
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