CN101211944A - 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图像传感器及其制造方法，该CMOS图像传感器包括栅极，位于半导体衬底的有源区域中的栅极绝缘层上；光电二极管区域，位于该栅极一侧的半导体衬底中；浮置扩散区域，位于该栅极另一侧的半导体衬底中；以及补偿杂质区域，位于该栅极的该另一侧的半导体衬底中，叠置在该浮置扩散区域上。本发明可以增大转移晶体管的宽度和/或可以将补偿杂质离子注入浮置扩散区域中，从而使浮置扩散区域有效地复位，并且经由光而产生并被转移到浮置扩散节点的电子具有相对更好的效果，从而可以提高图像传感器的性能。
Description
技术领域
本发明涉及CMOS图像传感器及其制造方法。
背景技术
作为将光学图像转化为电信号的半导体器件，图像传感器中的大部分通常会被归类到电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物(CMOS)图像传感器之中。
电荷耦合器件(CCD)包括：多个垂直电荷耦合器件(VCCD)，形成在各自的以阵列形式排列的垂直光电二极管之间，用以垂直地转移由各自的光电二极管所产生的电荷；多个光电二极管，以阵列形式排列，用以将光信号转换成电信号；水平电荷耦合器件(HCCD)，用以水平转移通过各自的垂直电荷耦合器件方式转移的电荷；以及感应放大器，感应水平转移的电荷并将其以电信号的方式输出。
然而，由于使用多级光刻工艺，这种CCD具有驱动方式相对复杂、功耗相对较大和制造工艺相对复杂的缺点。
对CCD来说，也很难在一个CCD芯片上整合控制电路、信号处理电路以及A/D转换器等，所以CCD具有难于使产品小型化的缺点。
最近，作为用以克服CCD的缺点的下一代图像传感器，CMOS图像传感器受到关注。
CMOS图像传感器是这样一种设备，其利用MOS晶体管，采用切换方式顺序检测各个单元像素的输出。该MOS晶体管通常对应于单元像素的数目，而且CMOS图像传感器使用CMOS技术制成，该CMOS图像传感器应该能包含控制电路和信号处理电路等，用以作为半导体衬底上的外围电路。
换句话说，为了成像，CMOS图像传感器在单元像素中形成光电二极管和MOS晶体管，以顺序检测各个单元像素的电信号。
CMOS图像传感器应用了CMOS制造技术，从而使其具有功耗小和制造工艺简单(例如，相对少的光刻工艺步骤)的优点。
并且，CMOS图像传感器还能够在CMOS图像传感器芯片上整合控制电路、信号处理电路和A/D转换器等，从而具有在单个芯片上易于产品小型化和/或在单个芯片上整合较多功能的优点。
因此，目前CMOS图像传感器已被广泛地应用于诸如数码相机和数码摄像机等各种应用和产品上。
同时，根据每个单元像素中的晶体管数目，CMOS图像传感器可以分为3T型，4T型以及5T型等等。3T型CMOS图像传感器在每个单元像素中包括一个光电二极管和三个晶体管，而4T型CMOS图像传感器在每个单元像素中包括一个光电二极管和四个晶体管。
发明内容
本发明的实施例涉及CMOS图像传感器及其制造方法，通过扩大转移晶体管的宽度和/或减小浮置扩散区域面积，使其既易于进行光电二极管复位，也易于将光电二极管所产生的电荷转移到浮置扩散区域，因此而改善图像传感器的性能。
根据一个实施例的CMOS图像传感器，包括：栅极，以预定的间隔位于半导体衬底的有源区域中的栅极绝缘(insulating)层上；光电二极管区域，位于该栅极一侧的半导体衬底中；浮置扩散区域，位于该栅极另一侧的半导体衬底中；补偿杂质区域，位于该半导体衬底中，叠置在该浮置扩散区域上。
本发明可以增大转移晶体管的宽度和/或可以将补偿杂质离子注入浮置扩散区域中，从而使浮置扩散区域有效地复位，并且经由光而产生并被转移到浮置扩散节点的电子具有相对更好的效果，从而可以提高图像传感器的性能。
附图说明
图1为示出根据实施例的CMOS图像传感器的单元像素的布局图，该CMOS图像传感器具有包括四个晶体管和一个光电二极管的结构；
图2为示出图1中的根据实施例的CMOS图像传感器沿II-II′线的剖面图，以及；
图3至图5为示出根据实施例的CMOS图像传感器的制造方法的工艺剖面图。
具体实施方式
下面将结合附图描述本发明实施例的CMOS图像传感器及其制造方法。
图1为示出根据实施例的CMOS图像传感器的单元像素的布局图，该CMOS图像传感器具有包括四个晶体管和一个光电二极管(PD)的结构；图2为示出图1中的CMOS图像传感器沿II-II′线的剖面图。
图1和图2示出包括一个光电二极管PD和四个MOS晶体管的一个单元像素，其形成在半导体衬底101(例如单晶硅晶片)表面上的外延(epi)层102上。该衬底包括：有源区域和器件绝缘区域(例如STI)；器件隔离(isolating)层103，形成在具有外延层102的半导体衬底101的器件绝缘区域中；栅极105，形成在该半导体衬底101的有源区域中的具有预定间隔的栅极绝缘层104上；光电二极管区域107，形成在位于该栅极105一侧的该半导体衬底101中；浮置扩散区域111，形成在邻近栅极105相对侧的半导体衬底101的晶体管区域112中；补偿杂质区域108，叠置在浮置扩散区域111上；以及绝缘层侧壁109，形成在该栅极105两侧。
这里，该栅极105是转移晶体管的栅极，用于将在光电二极管区域107中收集的光电荷转移到浮置扩散区域111。
如图1所示，该栅极105的一侧对准该光电二极管区域107的末端。
并且，如图2所示，至少一部分该补偿杂质区域108接触或邻近该浮置扩散区域111，并且至少一部分该浮置扩散区域111位于该补偿杂质区域108和该栅极105之间。
图3至图5为示出根据各实施例的CMOS图像传感器的制造方法的工艺剖面图。
如图3所示，通过在该半导体衬底101上外延生长而在该半导体衬底101上形成外延层102。当该衬底101包括单晶硅时，该外延层通常包括硅或硅-锗。在该外延层102中形成器件隔离层103以作器件隔离之用。
这里，该外延层在后来形成的光电二极管区域中形成大而深的耗尽区域，以此而增加低电压光电二极管收集光生电子的容量，并进而提高光敏度。例如，半导体衬底101可以包括位于N型衬底上的P型外延层。
这里，虽然图中未示出，下面将描述用于形成该器件隔离层103的方法。
首先，在半导体衬底上依次形成焊盘氧化物膜、焊盘氮化物膜和原硅酸四乙酯(TEOS)氧化物膜，并在该TEOS氧化物膜上形成光致抗蚀剂层。应用限定了有源区域和器件绝缘区域的掩模，光并显影该光致抗蚀剂层，然后图案化该光致抗蚀剂层。此时，移除位于器件绝缘区域上方的光致抗蚀剂层。然后，使用图案化的光致抗蚀剂层作为掩模，分别移除该器件绝缘区域的焊盘氧化物膜、焊盘氮化物膜和TEOS氧化物膜。
接着，使用被图案化的焊盘氧化物膜，焊盘氮化物膜和TEOS氧化物膜作为掩模，蚀刻该器件绝缘区域中的该半导体衬底到预定的深度，以形成沟槽。然后，完全移除光致抗蚀剂层。
接着，在该沟槽中形成氧化物牺牲薄膜，并在衬底上形成03 TEOS氧化物膜以填充该沟槽。此时，在大约1000度或更高的温度下，在该沟槽的内壁中形成氧化物牺牲膜，并制备03 TEOS氧化物膜。
通过化学机械研磨(CMP)法移除多余的03 TEOS层，以使得只有沟槽区域被绝缘材料填充，从而在该沟槽内形成器件隔离层103。然后，移除焊盘氧化物膜、焊盘氮化物膜和TEOS氧化物膜。
依次在具有器件隔离层103的该半导体衬底101上沉积栅极绝缘层104和导电层(例如，包含高浓度掺杂物的多晶硅层)。这里，可以应用热氧化工艺或CVD法形成栅极绝缘层104。通过选择性地移除(例如图案化)导电层和栅极绝缘层104，形成每个晶体管的栅极105。
如图3所示，在具有栅极105的半导体衬底101上使用第一光致抗蚀剂106，并且通过曝光工艺和显影工艺，有选择地图案化该第一光致抗蚀剂106。其中，图案化的第一光致抗蚀剂106暴露出位于栅极105一侧的半导体衬底的表面。使用图案化的第一光致抗蚀剂106作为掩模，在该半导体衬底101的暴露区域中注入低浓度N型杂质离子，以在栅极105一侧的半导体衬底101的有源区域中形成光电二极管区域107。
如图4所示，完全移除该第一光致抗蚀剂图案106，并在该半导体衬底101上方形成绝缘层。这里，通过堆叠焊盘氮化物膜和TEOS氧化物膜可以形成该绝缘层，或者也可以单层结构形成该绝缘层。然后，通过各向异性蚀刻(例如，反应离子蚀刻或RIE)该绝缘层，在栅极105两侧形成绝缘层侧壁109。
在具有绝缘层侧壁109的半导体衬底101上使用第二光致抗蚀剂，通过曝光工艺和显影工艺图案化该第二光致抗蚀剂，以暴露出晶体管区域112中的每个晶体管的源极/漏极区域(参见图1-2)。使用图案化的第二光致抗蚀剂110、晶体管栅极(例如，105，30，40以及50)和绝缘层侧壁109作为掩模，高浓度N+型杂质离子被注入到暴露出的源极/漏极区域，以形成包括浮置扩散区域111的源极/漏极杂质区域。
此时，在栅极105另一侧(相对侧)的有源区域中形成浮置扩散区域111，该浮置扩散区域111通常是与光电二极管相对的转移晶体管的源极/漏极杂质区域。这里，在栅极105和STI层103b之间的整个区域中形成浮置扩散区域111。
如图5所示，移除第二光致抗蚀剂图案110，并形成第三光致抗蚀剂图案114，以暴露出部分浮置扩散区域111(以及可选择地，部分或全部STI层103b)。使用图案化的第三光致抗蚀剂114作为掩模，高浓度的P型杂质离子被注入到浮置扩散区域111的暴露部分，以形成互补杂质区域108。优选地，互补杂质区域108中的P型杂质离子的浓度至少等于浮置扩散区域111中的N型杂质离子的浓度。互补杂质区域108的大小和/或形状不严格限定，只要互补杂质区域108叠置在浮置扩散区域111上即可，而在不同的实施例中，互补杂质区域108至少叠置在浮置扩散区域111的10％、20％或25％上，直至叠置在浮置扩散区域111的35％、50％或70％上。这样的结构能够有效地减小浮置扩散区域111的尺寸，提高其对光电二极管区域107中产生的载流子数量的敏感度，并提高从浮置扩散区域111中释放载流子的复位操作的效率。
然后在该半导体衬底101上执行退火工艺，以扩散和/或激活注入在该半导体衬底101中的各种杂质离子。
上述根据实施例的CMOS图像传感器及其制造方法具有以下效果。
可以增大转移晶体管的宽度和/或可以将补偿杂质离子注入浮置扩散区域111中，以使浮置扩散区域111可以有效地复位，并且经由光而产生并被转移到浮置扩散节点的电子具有相对较强的效果，从而可以提高图像传感器的性能。
在本说明书中涉及的任何“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”等等，其含义是指结合此实施例有关的所描述的特定的特征、结构或特性都至少包括在本发明一个实施例中。说明书各处出现的这些词语并不是全部指向同一个实施例。另外，当结合任何一个实施例描述特定特征、结构或特性时，认为其落在本领域的技术人员结合其他实施例就可以实现这些特征、结构或特性的范畴内。
尽管对实施例的描述中结合了其中多个示例性实施例，但是可以理解的是本领域的技术人员完全可以推导出多个其他的变化和实施例，而落入本公开内容的原理的精神和范畴内。特别是，可以在本公开、附图和随附的权利要求的范围内对组件和/或附件组合配置中的排列进行各种变化和改进。除组件和/或排列的变化和改进之外，其他可以选择的应用对与本领域及技术人员而言也是显而易见的。
Claims (10)
1.一种CMOS图像传感器，包括：
栅极，位于半导体衬底的有源区域中的栅极绝缘层上；
光电二极管区域，位于该栅极一侧的半导体衬底中；
浮置扩散区域，位于该栅极另一侧的半导体衬底中；
补偿杂质区域，位于该栅极的该另一侧的半导体衬底中，并叠置在该浮置扩散区域上。
2.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中该栅极位于转移晶体管中。
3.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中该栅极的一侧与该光电二极管区域的端部对准。
4.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中至少部分该补偿杂质区域与隔离层邻近。
5.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中至少部分该浮置扩散区域位于该补偿杂质区域和该栅极之间。
6.一种制造CMOS图像传感器的方法，该方法包括以下步骤：
在半导体衬底的预定区域中的栅极绝缘层上形成栅极；
在该栅极一侧的半导体衬底中形成光电二极管区域；
在该栅极两侧形成绝缘侧壁；以及
在该栅极另一侧的半导体衬底中形成浮置扩散区域；以及
在该半导体衬底中形成补偿杂质区域，且该补偿杂质区域叠置在该浮置扩散区域上。
7.根据权利要求6所述的方法，其中该栅极位于转移晶体管中。
8.根据权利要求6所述的方法，其中该栅极的一侧与该光电二极管区域的端部对准。
9.根据权利要求6所述的方法，其中至少部分该补偿杂质区域与隔离层邻近。
10.根据权利要求6所述的方法，其中至少部分该浮置扩散区域位于该补偿杂质区域和该栅极之间。
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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 | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20080702 |