CN101211947A - Cmos图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器及其制造方法，可提高CMOS图像传感器的低亮度级特性。该CMOS图像传感器具有光传感器单元和信号处理单元，并可包括：半导体衬底，具有器件隔离注入区，该器件隔离注入区设置有第一离子注入区以及位于第一离子注入区内的互补第二离子注入区；器件隔离层，位于信号处理单元中；光电二极管，位于光传感器单元中；以及晶体管，位于信号处理单元中。利用相邻光电二极管之间的器件隔离注入区可将邻近光电二极管的晶体缺陷区最小化，因此能够减少暗电流源并能防止产生界面陷阱，从而能够改善图像传感器的低亮度级特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。
背景技术
一般地说，图像传感器是一种将光学图像转换成电信号的半导体器件。有一种互补MOS(CMOS)图像传感器采用开关方式，利用每个单位像素中预定数量的MOS晶体管并按顺序检测其输出，是利用CMOS制造技术来制造的。此外，另一种类型的图像传感器是电荷耦合器件(CCD)，其中金属-氧化物-硅(metal-oxide-silicon，MOS)电容器设置成彼此非常靠近，且载荷子在电容器、控制电路以及作为外围电路的信号处理电路中存储和转移。
CMOS图像传感器能够将物体的光学信息转换成电信号，并且具有包括光电二极管、放大器、A/D转换器、内部电压发生器、定时信号发生器、数字逻辑电路等等的信号处理电路。上述电路可包含于一个芯片中，从而具有减少空间、功率及成本的重要优点。
同时，可根据每个单位像素中晶体管的数量，将CMOS图像传感器分类成3T型、4T型及5T型等等。3T型是由一个光电二极管和每个单位像素中的三个晶体管构成的，而4T型是由一个光电二极管和每个单位像素中的四个晶体管构成的，等等。
此处，将描述用于4T型CMOS图像传感器的单位像素的示例性电路和布局。
图1是相关技术的4T型CMOS图像传感器的等效电路图，而图2是示出相关技术的4T型CMOS图像传感器单位像素的布局图。
如图1和图2所示，CMOS图像传感器中的单位像素100包括作为光电转换器的光电二极管10和四个晶体管。这四个晶体管分别是转移晶体管20、复位晶体管30、驱动晶体管40及选择晶体管50。负载晶体管60可电连接到相应的单位像素100的输出端子OUT。
通过限定出有源区的STI(浅沟槽隔离)或LOCOS工艺，在半导体衬底上形成器件隔离层，其中所述有源区包括上述四个晶体管的有源区。此处，FD表示浮动扩散区，Tx表示转移晶体管20的栅极，Rx表示复位晶体管30的栅极，Dx表示驱动晶体管40的栅极，而Sx表示选择晶体管50的栅极。
在一般4T型CMOS图像传感器的单位像素PX中，有源区是通过在衬底的有源区以外的部分中形成器件隔离层(图中未示)来限定的，如图2所示。
在有源区具有相对较宽宽度的部分中形成一个光电二极管PD，而在有源区的另一部分中形成上述四个晶体管的栅电极23、33、43及53。换言之，转移晶体管20是利用栅电极23形成的，复位晶体管30是利用栅电极33形成的，驱动晶体管40是利用栅电极43形成的，而选择晶体管50是利用栅电极53形成的。此处，以杂质离子注入各晶体管的有源区(不包括各栅电极23、33、43及53之下的沟道区)，由此形成各晶体管的源/漏(S/D)区。
下面具体地描述器件隔离层，器件隔离层可通过CMOS图像传感器中硅的局部氧化(Local Oxidation of Silicon，LOCOS)来形成，在所述CMOS图像传感器中电路的最小线宽为0.35μm或更大。然而，器件隔离层可通过STI(浅沟槽隔离)来形成，其优点是在高集成度器件中，CMOS图像传感器中的最小线宽为0.25μm、0.18μm、或更小。
当以上述STI方式形成器件隔离层时，在与器件隔离层相邻的光电二极管的边界部分A中，常常因为在用于形成沟槽结构的蚀刻工艺期间的损伤而在硅晶格中发生位错。硅晶格结构中的这种位错部分A可用作捕获电子的电子陷阱，因此会使得CMOS图像传感器的低亮度级特性恶化。换言之，因为在低亮度级环境下入射到光电二极管的光量小，所以光电二极管中能够进行光电转换的电荷量就相应地小。然而，据信在上述电子陷阱中捕获的电子能通过穿过转移晶体管16来再现图像，因此在低亮度级环境下图像传感器的特性恶化。
发明内容
本发明的实施例提供了一种CMOS图像传感器及其制造方法，改善了CMOS图像传感器的低亮度级特性。本发明的其它实施例可提供结构和技术，以减少单位像素的尺寸和/或能够有效地共用相邻单位像素中的晶体管。
本发明的实施例提供了一种CMOS图像传感器，其具有光传感器单元和信号处理单元，包括：半导体衬底，其中具有器件隔离注入区，所述器件隔离注入区包括第一离子注入区和位于所述第一离子注入区内的互补第二离子注入区；器件隔离层，位于所述信号处理单元中；光电二极管，位于所述光传感器单元中；以及晶体管，位于所述信号处理单元中。
本发明的其它实施例提供了一种制造CMOS图像传感器的方法，包括：在图像传感器的信号处理单元中形成器件隔离层；通过在所述半导体衬底中形成第一离子注入区，在光传感器单元中形成初始器件隔离注入区；通过在所述第一离子注入区内形成互补第二离子注入区，完成器件隔离注入区；以及在光传感器单元中形成光电二极管，并在信号处理单元中形成晶体管。
本领域技术人员在细查以下的附图和详细说明之后，其它的系统、方法、特征以及优点就将是或将变得显而易见。本说明书不应视为对权利要求的限定。以下结合实施例进一步说明本发明的方案和优点。
附图说明
图1是相关技术的4T型CMOS图像传感器的等效电路图。
图2是相关技术的4T型CMOS图像传感器的单位像素的布局图。
图3是根据本发明示例性实施例的4T型CMOS图像传感器的四个单位像素的布局图。
图4A和图4B是横截面图，示出根据一实施例当电压未施加到器件隔离注入区时和当电源电压施加到器件隔离注入区时的情况。
图5A和图5B是横截面图，示出根据另一实施例当电压未施加到器件隔离注入区时和当反向偏压施加到器件隔离注入区时的情况。
图6是根据本发明示例性实施例的CMOS图像传感器的布局图，其中相邻光电二极管之间共用信号处理单元中的晶体管。
具体实施方式
以下将参考附图来描述CMOS图像传感器。
图3是根据本发明一个实施例的4T型CMOS图像传感器的四个单位像素的方框布局图。如图3所示，第一至第四4T型单位像素PX1、PX2、PX3、及PX4彼此邻近。
CMOS图像传感器可大致分成光传感器单元和信号处理单元，其中光传感器单元检测入射光以将其转换为电信号，信号处理单元处理光传感器单元的输出以再现图像。
并且，光传感器单元可具有将多个单位像素中的部分或全部加以阵列化或组合的结构，其中器件隔离注入区大体位于光传感器单元中的光电二极管边界处，而信号处理单元中的器件隔离层使用LOCOS或STI器件隔离层164。此处，尽管第一单位像素到第四单位像素PX1、PX2、PX3及PX4的光电二极管区彼此邻近，但不限于此。然而，这种布局用于示出容易地形成和/或良好地形成相邻单位像素的光电二极管区之间的器件隔离注入区。
以下，将通过选择第一单位像素到第四单位像素PX1、PX2、PX3及PX4中的第一单位像素PX1和第二单位像素PX2进行详细描述。
第一单位像素PX1的第一光电二极管区PD1与第二单位像素PX2的第二光电二极管区PD2通过器件隔离注入区170而被隔离。第一单位像素PX1和第二单位像素PX2各自包括作为光电转换器的光电二极管PD1和PD2，以及四个晶体管Rx、Dx、Tx及Sx。对应的这四个晶体管是转移晶体管120a和120b、复位晶体管130a和130b、驱动晶体管140a和140b、及选择晶体管150a和105b。器件隔离层164通过限定出有源区的浅沟槽隔离(STI)工艺而形成于半导体衬底上，其中所述有源区包括四个晶体管Rx、Dx、Tx及Sx的有源区。
此处，FD(未示出)表示浮动扩散区，Tx表示转移晶体管120a和120b的栅极，Rx表示复位晶体管130a和130b的栅极，Dx表示驱动晶体管140a和140b的栅极，而Sx表示选择晶体管150a和150b的栅极。
在一般4T型CMOS图像传感器的单位像素中，因为有源区是限定的，所以器件隔离层164形成于衬底上有源区之外的部分中，并且器件隔离注入区形成于相邻光电二极管区之间的边界处。
在第一单位像素PX1中，第一光电二极管PD1形成于有源区具有较宽宽度的部分中，且四个晶体管的栅电极123a、133a、143a及153a形成于有源区的另一部分中。在第二单位像素PX2中，第二光电二极管PD2形成于有源区具有较宽宽度的部分中，且四个晶体管的栅电极123b、133b、143b及153b形成于有源区的另一部分。换言之，在第一单位像素PX1和第二单位像素PX2中，转移晶体管120a和12b是通过包括栅电极123a和123b的工艺形成的，复位晶体管130a和130b是通过包括栅电极133a和133b的工艺形成的，驱动晶体管140a和140b是通过包括栅电极143a和143b的工艺形成的，而选择晶体管150a和150b是通过包括栅电极153a和153b的工艺形成的。在第一单位像素PX1和第二单位像素PX2中，各个晶体管的有源区(不包括各自栅电极123、133、143及153的下侧部分)被注入杂质离子，由此形成各个晶体管的源/漏(S/D)区。
通过将杂质注入第一光电二极管区PD1与第二光电二极管区PD2之间的一个或多个边界区内，形成器件隔离注入区170。器件隔离离子注入区170包括第一器件隔离离子注入区171和第二器件隔离离子注入区173。
第一器件隔离离子注入区171包括低浓度或中等浓度的p型扩散区或基本由低浓度或中等浓度的p型扩散区组成，上述p型扩散区可相对于一个或多个N型光电二极管离子注入区128a和/或128b更深地形成(参见图4A)，且互补第二器件隔离离子注入区173包括高浓度n型扩散区或基本由该高浓度n型扩散区组成，上述n型扩散区相对浅地形成于第二器件隔离离子注入区173内。换言之，第二器件隔离离子注入区173被第一器件隔离离子注入区171所围绕。并且，第二器件隔离离子注入区173可接触地连接到反向偏压或连接到电源VDD。
当反向偏压或电源(例如VDD)施加到器件隔离离子注入区170时，器件隔离离子注入区170在衬底中(例如外延硅层111中；参见图4B及图5B)深且厚地形成耗尽层175，因此相邻的光电二极管器件能够良好地隔离。
第二器件隔离注入区173包括含有高浓度掺杂剂(例如磷、砷或锑)的n型扩散区，第一器件隔离离子注入区171包括含有低浓度或中等浓度掺杂剂(例如硼)的p型扩散区，且衬底或外延硅层111内包括p阱，从而在n型扩散区173的侧面耗尽层175形成得浅，而在从第一器件隔离离子注入区171到外延硅层111的方向上耗尽层175形成得深。
器件隔离注入区170的侧面设置有第一光电二极管区PD1和第二光电二极管区PD2，并且第一光电二极管区PD1和第二光电二极管区PD2包括含有低浓度掺杂剂的n型扩散区，从而耗尽层175不会从第一器件隔离离子注入区171延伸到光电二极管区，而是更深地形成于外延硅层111中。
图4A至图4B是沿着图3中的线I-I′取得的横截面图。
图4A是横截面图，示出根据第一实施例当电压未施加到器件隔离离子注入区时的情况，而图4B是横截面图，示出根据第一实施例当电源电压施加到器件隔离离子注入区时的情况。
同样，图5A是横截面图，示出根据第二实施例当电压未施加到器件隔离离子注入区时的情况，而图5B是横截面图，示出根据第二实施例当反向偏压施加到器件隔离离子注入区时的情况。
在结构和操作上第一实施例和第二实施例彼此类似，因此以下将一并对它们进行描述。
参照图4A和图5A，器件隔离离子注入区170形成于第一光电二极管区PD1与第二光电二极管区PD2之间的边界处。半导体衬底可以是含有高浓度掺杂剂杂质的p型衬底，p型外延硅层111可形成于半导体衬底上且可含有低浓度掺杂剂，器件隔离注入区170形成于p型外延硅层111中且可(至少部分地)限定出有源区，并且通过将低浓度n型杂质注入p型外延硅层111中而可在p型外延硅层111中形成n型第一光电二极管区128a和第二光电二极管区128b。绝缘膜180可随后形成于半导体器件上，并且绝缘膜180可设置有接触孔183，接触孔183暴露出第二器件隔离注入区173的(预定)部分。
参照图4B和图5B，接触孔183中的接触电极185使得反向偏压或电源电压能够施加到第二器件隔离注入区173。
器件隔离离子注入区170是通过将杂质注入第一光电二极管区PD1与第二光电二极管区PD2之间的边界区内而形成的。器件隔离注入区170包括第一器件隔离注入区171和第二器件隔离注入区173。第一器件隔离注入(扩散)区171包含低浓度或中等浓度的p型掺杂剂并且可相对深地形成，而第二器件隔离注入(扩散)区173包含高浓度的n型掺杂剂，上述n型掺杂剂相对浅地形成于第二器件隔离离子注入区173内。换言之，第二器件隔离离子注入区173被第一器件隔离离子注入区171所围绕。
然后，第二器件隔离注入区173可接触地连接到反向偏压或电源VDD。在施加有反向偏压或反向电压(例如通过连接到电源VDD)的器件隔离注入区170中，耗尽层175深且厚地形成于外延硅层111中，因此相邻器件能够良好地隔离。
如上所述，如果使用器件隔离离子注入区170而不是器件隔离层，则在形成STI沟槽或凹陷LOCOS结构期间，能够防止产生因蚀刻损伤而导致的界面陷阱，从而具有能够改善低亮度级下光学处理特性的优点。
就上述实施例而言，通过将离子注入相邻光电二极管之间的至少部分边界内、而不是通过形成器件隔离层如LOCOS或STI来形成器件隔离注入区，并且通过将反向偏压施加到器件隔离离子注入区来使耗尽层、亦即隔离区扩展，从而能够将一个光电二极管与另一个光电二极管电隔离。
因此，利用器件隔离注入区作为器件隔离层，而不是可能在硅晶片的晶格结构中产生位错的STI层，将邻近光电二极管的晶体缺陷区(crystal defectzone)最小化，因此能够减少暗电流源，并能减少或防止产生界面陷阱，从而能够获得具有改善的低亮度级特性的CMOS图像传感器。
就上述实施例而言，利用STI器件隔离层和器件隔离离子注入区作为CMOS图像传感器中半导体衬底上的器件隔离层，将邻近光电二极管的晶体缺陷区最小化，因此能够减少暗电流源，并能减少或防止产生界面陷阱，从而能改善低亮度级特性。
图6示出一实施例，其中相邻光电二极管之间可共用信号处理单元中的晶体管。光电二极管200和202彼此邻近，且由共同的信号处理单元210而不是器件隔离注入区170(参见图4A-图5B)分开。尽管光电二极管200和202各自具有自身对应的转移晶体管Tx 220和222，但这两个光电二极管200和202可共用复位晶体管Rx 230、驱动晶体管Dx 240和选择晶体管Sx 250，从而将每个单位像素的晶体管数量有效地减少到2.5。本领域技术人员能够容易地修改附加信号处理逻辑，以确定哪个像素(例如包括光电二极管200的像素或包括光电二极管202的像素)在预定时刻对应于在相应光电二极管中产生的光电荷而输出电信号。
本说明书中对所述实施例的说明意在提供对各实施例的结构的综合理解。以上说明并非用以对利用本说明书中所述结构或方法的装置及系统中的所有元素和特征进行穷尽描述。对本领域技术人员来说，在研究本发明公开内容的基础上，许多其它实施例都是显而易见的。根据所公开内容，可利用和得出其它实施例，例如不脱离本发明公开内容的范围，而可进行结构上和逻辑上的替换和改变。另外，附图仅是示意性的且其绘制可能不合比例。附图中某些比例可能夸大，而其它比例则可能最小化。因此，本说明书和附图要被视为是说明性的，而不是限定性的。以上所公开的主题应认为是说明性的，而不是限定性的，并且所附权利要求书意在覆盖落在本发明真正精神和范围内的所有上述的修改、改善以及其它实施例。
Claims (19)
1.一种CMOS图像传感器，包括：
半导体衬底，具有光传感器单元和器件隔离注入区，所述器件隔离注入区包括第一离子注入区和位于所述第一离子注入区内的互补第二离子注入区；
器件隔离层，位于所述半导体衬底上的信号处理单元中；
光电二极管，位于所述光传感器单元中；以及
晶体管，位于所述信号处理单元中。
2.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中所述第一离子注入区包含p型掺杂剂，而所述第二离子注入区包含n型掺杂剂。
3.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中所述半导体衬底包括p型外延硅层。
4.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，还包括：接触电极，连接到所述第二离子注入区，配置成将反向电压施加到所述第二离子注入区。
5.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中所述第二离子注入区连接到电源。
6.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中从所述第二离子注入区与半导体层的结位置起在所述半导体层中形成的耗尽层，比从所述第一离子注入区与所述第二离子注入区的结位置起在所述第一离子注入区中形成的耗尽层更厚。
7.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中所述第二离子注入区被所述第一离子注入区所围绕。
8.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中所述光电二极管区被所述器件隔离离子注入区分成至少两个区域。
9.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中所述光传感器单元包括用于至少两个单位像素的光电二极管，各个所述单位像素包括至少两个晶体管。
10.根据权利要求9所述的CMOS图像传感器，其中所述器件隔离注入区形成于相邻单位像素之间的边界处。
11.一种制造CMOS图像传感器的方法，所述CMOS图像传感器具有光传感器单元和信号处理单元，所述方法包括以下步骤：
在半导体衬底中的所述信号处理单元中形成器件隔离层；
通过在所述半导体衬底中形成第一离子注入区，在所述光传感器单元中形成初始器件隔离注入区；
通过在所述第一离子注入区内形成互补第二离子注入区，完成器件隔离注入区；以及
在所述光传感器单元中形成光电二极管并在所述信号处理单元中形成晶体管。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括以下步骤：
在所述光电二极管和所述晶体管上形成绝缘膜；
在所述绝缘膜中形成暴露出所述第二离子注入区的表面的接触孔；以及
在所述接触孔中形成与所述第二离子注入区电连接的接触件。
13.根据权利要求11所述的方法，其中当反向电压施加到所述第二离子注入区时，所述器件隔离注入区的耗尽层变得更深。
14.根据权利要求11所述的方法，其中所述第一离子注入区包含p型掺杂剂，而所述第二离子注入区包含n型掺杂剂。
15.根据权利要求12所述的方法，其中将反向电压施加到所述接触件。
16.根据权利要求11所述的方法，其中将电源电压施加到所述接触件。
17.根据权利要求11所述的方法，其中从所述第二离子注入区与半导体层的结位置起在所述半导体层中耗尽层的厚度，比从所述第一离子注入区与所述第二离子注入区的结位置起在所述第一离子注入区中耗尽层的厚度更厚。
18.根据权利要求11所述的方法，其中所述光传感器单元包括至少两个单位像素中的光电二极管，其中每个单位像素包括至少两个晶体管。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述器件隔离注入区位于相邻单位像素之间的边界处。
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