CN101211956A - Cmos图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器，尤其涉及一种能够提高浮置扩散区的电子储存量的CMOS图像传感器及其制造方法。所述CMOS图像传感器包括：第一栅电极，位于半导体衬底上；光电二极管，在所述半导体衬底中位于所述第一栅电极的一侧；浮置扩散区，在所述半导体衬底中位于所述第一栅电极的相对一侧；电容，包括连接到所述浮置扩散区的下电容电极、位于所述下电容电极上的电介质层、上电容电极；以及连接所述下电容电极的驱动晶体管，具有连接到所述浮置扩散区的第二栅电极。因为提高了浮置扩散节点的电子储存量，所以能够改善图像传感器的动态范围。
Description
技术领域
本发明的实施例涉及一种互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。
背景技术
一般而言，图像传感器是将光学图像转换为电子信号的半导体器件。这些图像传感器包括电荷耦合器件(CCD)和CMOS(互补MOS)图像传感器，在CCD中，各个金属-氧化物-硅(MOS)电容器彼此相邻，储存并传输电荷载流子，而CMOS图像传感器采用开关模式，包括多个MOS晶体管(其数量在某种程度上取决于像素的数量)，并且CMOS图像传感器利用了CMOS技术来制造外围电路、控制电路以及信号处理电路(这些电路用于依次检测和输出图像数据)。通过信号处理器件，CMOS图像传感器将对象的光学信息转换为电子信号，信号处理器件包括光电二极管、放大器、A/D转换器、内部电压发生器、定时脉冲发生器(timing generator)、数字逻辑电路等等，这些器件都集成在一个芯片中，对于减少体积、功率和成本极为有利。
此外，按照每个单位像素中晶体管的数目，CMOS图像传感器分为3T型、4T型、5T型等等。3T型的结构是在每个单位像素中包括一个光电二极管和三个晶体管，而4T型的结构是在每个单位像素中包括一个光电二极管和四个晶体管。
下面将描述4T型图像传感器中单位像素的布局。图1为现有技术的4T型CMOS图像传感器的等效电路图，图2为示出现有技术的4T型CMOS图像传感器的单位像素的布局。
如图1、图2所示，CMOS图像传感器的单位像素100包括作为光电转换器的光电二极管10以及四个晶体管。四个晶体管分别是传输晶体管20、复位晶体管30、驱动晶体管40以及选择晶体管50。此外，负载晶体管60电连接到各个单位像素100的输出端“OUT”。
这里，FD表示浮置扩散区，Tx表示选择晶体管20的栅极电压，Rx表示复位晶体管30的栅极电压，Dx表示驱动晶体管40的栅极电压(亦即浮置扩散区FD上的电压)，而Sx表示选择晶体管50的栅极电压。
在现有技术的4T型CMOS图像传感器的单位像素中，有源区限定为使得器件隔离层形成在衬底上除了该有源区之外的部分，如图2所示。一个光电二极管PD形成在有源区中的一部分(具有大的宽度)，而四个晶体管的栅电极23、33、43以及53形成在有源区的其它部分。换言之，传输晶体管20包括栅电极23，复位晶体管30包括栅电极33，驱动晶体管40包括栅电极43，选择晶体管50包括栅电极53。
这里，在各个晶体管的有源区(不包括各个栅电极23、33、43以及53下的沟道)注入杂质离子，从而形成各个晶体管的源/漏(S/D)区。
当光电二极管PD的全阱容量大于浮置扩散区FD的电荷持有量时，光电二极管与浮置扩散区之间的电荷被共享。在这种情况下，如果传输晶体管的栅电极23回到截止状态(off state)，则光电二极管仍然有信号或电荷，这些信号或电荷将与下一帧中产生的信号或电荷混合，导致图像滞后。浮置扩散节点25的这种饱和常常会限制4T像素的动态范围。
此外，当像素变得更小时，浮置扩散区的容量也会变得更小。这会使得像素的动态范围变得更小。因此，即使像素小，也需要改善动态范围，从而在弱光和强光条件下都能够提供良好的输出响应。
发明内容
本实施例的目的是提供一种CMOS图像传感器及其制造方法，能够通过提高浮置扩散节点的电子储存量来改善CMOS图像传感器的动态范围。
为了实现上述目的，提供一种CMOS图像传感器，包括：第一栅电极，位于半导体衬底上；光电二极管，在所述半导体衬底中位于所述第一栅电极的一侧；浮置扩散区，在所述半导体衬底中位于所述第一栅电极的相对一侧；电容，包括连接到所述浮置扩散区的下电容电极、位于所述下电容电极上的电介质层，和上电容电极；驱动晶体管，具有连接到所述浮置扩散区和所述下电容电极的第二栅电极。
根据本发明的CMOS图像传感器，其中，所述第二栅电极和所述下电容电极由单个连续的多晶硅层形成。
根据本发明的CMOS图像传感器，还包括覆盖所述电容的绝缘膜，所述绝缘膜包括第一接触孔和第二接触孔，所述第一接触孔暴露所述下电容电极的一部分和所述浮置扩散区的一部分，所述第二接触孔暴露所述上电容电极的一部分。
根据本发明的CMOS图像传感器，还包括位于所述第一接触孔中的第一接触电极，，其将所述浮置扩散区连接到所述下电容电极。
根据本发明的CMOS图像传感器，还包括位于所述第二接触孔中的第二接触电极将接地电势连接到所述上电容电极。
根据本发明的CMOS图像传感器，其中，所述电容包括多晶-绝缘层-多晶电容。
根据本发明的CMOS图像传感器，其中，所述电容包括金属-绝缘层-金属电容。
根据本发明的CMOS图像传感器，其中，所述驱动晶体管的漏极连接到电源。
根据本发明的CMOS图像传感器，其中，所述电容叠置在所述浮置扩散区上。
根据本发明的CMOS图像传感器，还包括位于所述半导体衬底上的传输晶体管、复位晶体管以及选择晶体管，，所述传输晶体管、复位晶体管以及选择晶体管都连接到所述驱动晶体管。
根据本发明的CMOS图像传感器，其中，所述下电容电极与所述传输晶体管的栅电极用同样的材料制成，并且厚度相同。
为了实现上述目的，提供一种制造CMOS图像传感器的方法，包括以下步骤：在半导体衬底上形成第一栅电极、第二栅电极以及下电容电极，所述下电容电极自所述第二栅电极延伸；在所述半导体衬底中所述第一栅电极的一侧通过注入杂质形成光电二极管区；在所述半导体衬底中所述第一栅电极的相对一侧通过注入杂质形成浮置扩散区；在所述下电容电极的至少一部分上形成电介质层；在所述电介质层上形成上电容电极；在所述半导体衬底上形成绝缘膜；在所述绝缘膜中形成第一接触孔和第二接触孔，所述第一接触孔暴露所述下电容电极的一部分和所述浮置扩散区的一部分，所述第二接触孔暴露所述上电容电极的一部分；以及形成第一接触电极和第二接触电极，所述第一接触电极将所述浮置扩散区连接到所述下电容电极(在所述第一接触孔中)，所述第二接触电极连接到所述上电容电极(在所述第二接触孔中)。
根据本发明的方法，其中，形成第一栅电极、第二栅电极以及下电容电极的步骤包括将多晶硅层图案化。
根据本发明的方法，其中，所述第二接触电极还连接到接地电势。
根据本发明的方法，其中，形成第一栅电极、第二栅电极以及下电容电极的步骤还包括将所述第一栅电极、第二栅电极以及下电容电极下面的栅极绝缘膜图案化。
根据本发明的方法，其中，所述浮置扩散区也电连接到所述第二栅电极。
根据本发明的方法，其中，在所述半导体衬底中注入所述第二杂质也形成漏极区。
根据本发明的方法，其中，所述漏极区为驱动晶体管和复位晶体管中至少其中一个的漏极区。
根据本发明的方法，其中，所述漏极区连接到电源。
根据本发明的方法，所述下电容电极的暴露部分包括所述下电容电极的上表面的一部分和侧表面。
对于本领域技术人员来说，通过阅读下面的附图以及详细说明，其它系统、方法、特点和优点将变得显而易见。本部分中没有任何描述视作对权利要求书的限制。下面结合本发明的各种实施例进一步讨论其它方案和优点。
附图说明
图1为现有技术的4T型CMOS图像传感器的等效电路图；
图2为现有技术的4T型CMOS图像传感器的单位像素的布局图；
图3为根据一实施例的4T型CMOS图像传感器的等效电路图；
图4为根据本发明实施例的CMOS图像传感器的示例性单位像素的布局图；
图5为沿着图4的I-I′线的剖视图，示出电容器、传输晶体管以及光电二极管区；
图6为根据本发明实施例的CMOS图像传感器的另一示例性单位像素的布局图。
具体实施方式
下面参照附图描述CMOS图像传感器。
图3为根据一实施例的4T型CMOS图像传感器的等效电路图，图4为根据其它实施例的CMOS图像传感器的示例性布局图。
如图3、图4所示，CMOS图像传感器的单位像素包括用作光电转换器的光电二极管、四个晶体管。四个晶体管分别是传输晶体管120、复位晶体管130、驱动晶体管140以及选择晶体管。
这里，FD表示浮置扩散区，Tx表示选择晶体管120的栅极电压，Rx表示复位晶体管130的栅极电压，Dx表示驱动晶体管140的栅极电压，而Sx表示选择晶体管150的栅极电压。此外，在所有扩散区都有本地结电容160，浮置扩散区FD设置有实体电容170。
电容170包括下电容电极171和上电容电极175。在下电容电极171与上电容电极175之间有电介质层173。
驱动晶体管140的栅电极143通过触点176a连接到浮置扩散区FD，形成所有晶体管的栅极的多晶硅图案设计为形成连接到驱动晶体管140的栅电极143的下电容电极171。因此，驱动晶体管140与浮置扩散区FD相连接(不需要金属导线)，并形成电容170的下电容电极171。这样，本发明通过将形成电容170的区域最小化，就能够缩小单位像素的尺寸，同时提高浮置扩散节点的电子储存量。
在图4中，为了布局方便，驱动晶体管140的栅电极143延伸到下电容偏板171，并通过触点176B连接到浮置扩散区FD。虽然未示出，但是在4T型CMOS图像传感器的单位像素PX中限定了有源区，使得器件隔离层形成在除了该有源区之外的部分。
在有源区一较宽的部分形成一个光电二极管PD100，而在有源区的其它部分形成四个晶体管的栅电极123、133、143以及153。再参照图3，利用栅电极123(参见图4)形成传输晶体管120，利用栅电极133形成复位晶体管130，利用栅电极143形成驱动晶体管140，利用栅电极153形成选择晶体管150。
驱动晶体管140的栅电极143延伸到浮置扩散区FD与之电连接，同时充当电容170的下电容电极171。在电容170的下电容电极171的上表面依次沉积电介质层173和上电容电极175。上电容电极175可包括多晶硅层，因此电容170为多晶-绝缘层-多晶(PIP)电容。或者，电容可包括金属-绝缘层-金属(MIM)结构。
上电容电极175可连接到第二接触孔176b中的接触电极，以接收接地信号GND。因此，叠置在浮置扩散区FD上的结电容160与附加电容170可并联连接。
这里，将杂质离子注入各晶体管的有源区中除了栅电极123、133、143以及153之下的区域以外的区域，形成各晶体管的源/漏(S/D)区。
图5为沿着图4的I-I′线的剖视图，示出电容器、传输晶体管以及部分光电二极管区。
如图4、图5所示，在高浓度P型衬底上生长低浓度P型外延硅层111，然后在外延层111中形成沟槽并填充以绝缘体(例如二氧化硅)，形成浅沟槽隔离(STI)结构。然后，在外延层上形成栅极绝缘膜131(一般通过硅的湿法或干法热氧化)，在栅极绝缘膜131上形成传输晶体管120的栅电极123(一般通过对栅极绝缘膜上形成的多晶硅层进行光刻法构图和蚀刻)。在形成栅电极123的同时形成其它栅极133、143以及153(与下电容电极171一起)。
然后，通过以低浓度注入n型杂质离子形成N-扩散区128，并独立地在与栅极123以及其它栅极133、143、153相邻的有源区中形成N-轻掺杂扩展区126，从而在外延层111中形成光电二极管区PD。然后在栅电极123各侧形成间隔126(通常也形成在其它栅极133、143、153以及下电容电极171的各侧)。在低浓度n型扩散区128的外延层111上注入浓度比外延层111高的p型扩散区135(PDP)。然后，通过离子注入在浮置扩散区FD以及有源区中的S/D区中形成高浓度n型扩散区134。
在浮置扩散区FD上或浮置扩散区FD附近形成电容170。在浮置扩散区FD上形成栅极绝缘膜图案131a(不一定在STI区之上)，并与传输晶体管的栅电极123同时地形成辅助电容170的下电容电极。辅助电容170叠置在浮置扩散区FD的预定部分，可形成在浮置扩散区FD附近器件隔离层(STI)的上表面。
辅助电容170的下电容电极171与形成或设计驱动电容140的栅电极143的例行工艺相关，不需要独立的工艺，使得栅电极143延伸到浮置扩散区FD。浮置扩散区FD连接到下电容电极171。电容170包括下电容电极171、上电容电极175以及夹在下电容电极171和上电容电极175之间的电介质层173。
传输晶体管120的栅电极123延伸到浮置扩散区FD形成下电容电极171。这样就将驱动晶体管140与浮置扩散区FD连接起来，用多晶硅线代替了金属导线，并形成电容170的下电容电极171。因此，通过将电容170的面积最小化，就能够缩小单位像素的尺寸，同时提高浮置扩散节点的电子储存量。
在下电容电极171上形成电介质层173以储存电子，在电介质层173上形成与下电容电极171相对的上电容电极175。优选地，上电容电极175包括多晶硅图案，但是也可以在金属图案中形成下电容电极171和上电容电极175。或者，上电容电极175可包括金属(例如在第一金属化层中)或者局部互连材料(例如Ti、TiN、W及这些材料的组合等等)，其中“局部互连”为公知术语。
在包括传输晶体管120的栅电极123、电容170和其它栅极133、143及153的外延层111上形成绝缘膜180。分别在暴露出(预定的)部分浮置扩散区FD，下电容电极171和上电容电极175的绝缘膜180中形成第一接触孔176a和第二接触孔176b。然后分别在第一接触孔176a和第二接触孔176b中形成第一接触电极177以及第二接触电极179。第一接触电极177连接到下电容电极171和浮置扩散区FD，将下电容电极171与浮置扩散区FD电连接。第二接触电极179连接到上电容电极175，通过第二接触电极179能够将预定电压(例如接地电势)提供给上电容电极175。
在高浓度n型扩散区和p型外延层之间的损耗层中可形成浮置扩散区FD的结电容160，p型外延层可具有接地电势，使得浮置扩散区的结电容160与附加电容170彼此并联连接。
因此，能够提高电子储存量，改善4T像素的动态范围。
此外，即使像素小，浮置扩散区的容量也足以确保动态范围。因此，即使像素小，在弱光和强光条件下也都能够提供良好的输出响应。
图6示出另一布局图，其中，下电容电极171叠置在邻近最靠近下电容电极171所连接的驱动晶体管的栅极143的复位晶体管的栅极133的浮置扩散区上。此实施例可在电容170与浮置扩散区之间提供更大的容性耦合(capacitive coupling)。此外，除了与浮置扩散区FD接触的区域周围，上电容电极175都可以覆盖下电容电极171。
本发明CMOS图像传感器的第一个效应在于，通过在单位像素中再形成一个电容，提高了浮置扩散节点的电子储存量，改善了动态范围。
此外，本发明的第二个效应在于，通过将驱动晶体管的栅电极延伸到浮置扩散区来形成电容电极，将形成电容的区域最小化，从而能够缩小单位像素的尺寸并提高浮置扩散节点的电子储存量。
在此描述的实施例的说明是为了提供对各种实施例的结构的一般性理解。这些说明不是为了完全描述利用在此描述的结构和方法的设备和系统的所有元件和特点。对于本领域技术人员来说，通过阅读以上所公开的内容，许多其它实施例显而易见。其它实施例可以利用或根据所公开的内容得出，因此可进行结构性或逻辑性替代、变化而不脱离所公开的范围。此外，上述说明仅仅是描述性的，不可将其扩大化。说明中的某些部分可放大，而另一些部分可缩小。因此，所公开的内容和附图应视作示意性的而不是限制性的，并且所附权利要求述旨在覆盖落入本发明精神和范围内的所有变型、改进或其它实施例。
Claims (20)
1.一种CMOS图像传感器，包括：
第一栅电极，位于半导体衬底上；
光电二极管，在所述半导体衬底中位于所述第一栅电极的一侧；
浮置扩散区，在所述半导体衬底中位于所述第一栅电极的相对一侧；
电容，包括连接到所述浮置扩散区的下电容电极、位于所述下电容电极上的电介质层、上电容电极；以及
驱动晶体管，具有连接到所述浮置扩散区和所述下电容电极的第二栅电极。
2.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中，所述第二栅电极和所述下电容电极由单个连续的多晶硅层形成。
3.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，还包括覆盖所述电容的绝缘膜，所述绝缘膜包括第一接触孔和第二接触孔，所述第一接触孔暴露所述下电容电极的一部分和所述浮置扩散区的一部分，所述第二接触孔暴露所述上电容电极的一部分。
4.如权利要求2所述的CMOS图像传感器，还包括位于所述第一接触孔中的第一接触电极，，其将所述浮置扩散区连接到所述下电容电极。
5.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，还包括位于所述第二接触孔中的第二接触电极将接地电势连接到所述上电容电极。
6.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中，所述电容包括多晶-绝缘层-多晶电容。
7.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中，所述电容包括金属-绝缘层-金属电容。
8.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中，所述驱动晶体管的漏极连接到电源。
9.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中，所述电容叠置在所述浮置扩散区上。
10.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，还包括位于所述半导体衬底上的传输晶体管、复位晶体管以及选择晶体管，，所述传输晶体管、复位晶体管以及选择晶体管都连接到所述驱动晶体管。
11.如权利要求10所述的CMOS图像传感器，其中，所述下电容电极与所述传输晶体管的栅电极用同样的材料制成，并且厚度相同。
12.一种制造CMOS图像传感器的方法，包括以下步骤：
在半导体衬底上形成第一栅电极、第二栅电极以及下电容电极，所述下电容电极自所述第二栅电极延伸；
在所述半导体衬底中所述第一栅电极的一侧通过注入第一杂质形成光电二极管区；
在所述半导体衬底中所述第一栅电极的相对一侧通过注入第二杂质形成浮置扩散区；
在所述下电容电极的至少一部分上形成电介质层；
在所述电介质层上形成上电容电极；
在包括所述下电容电极和上电容电极的所述半导体衬底上形成绝缘膜；
在所述绝缘膜中形成第一接触孔和第二接触孔，所述第一接触孔暴露所述下电容电极的一部分和所述浮置扩散区的一部分，所述第二接触孔暴露所述上电容电极的一部分；以及
在所述第一接触孔和第二接触孔中形成第一接触电极和第二接触电极，所述第一接触电极将所述浮置扩散区连接到所述下电容电极，所述第二接触电极连接到所述上电容电极。
13.如权利要求12所述的方法，其中，形成第一栅电极、第二栅电极以及下电容电极的步骤包括将多晶硅层图案化。
14.如权利要求12所述的方法，其中，所述第二接触电极还连接到接地电势。
15.如权利要求13所述的方法，其中，形成第一栅电极、第二栅电极以及下电容电极的步骤还包括将所述第一栅电极、第二栅电极以及下电容电极下面的栅极绝缘膜图案化。
16.如权利要求12所述的方法，其中，所述浮置扩散区也电连接到所述第二栅电极。
17.如权利要求12所述的方法，其中，在所述半导体衬底中注入所述第二杂质也形成漏极区。
18.如权利要求17所述的方法，其中，所述漏极区为驱动晶体管和复位晶体管中至少其中一个的漏极区。
19.如权利要求17所述的方法，其中，所述漏极区连接到电源。
20.如权利要求12所述的方法，所述下电容电极的暴露部分包括所述下电容电极的上表面的一部分和侧表面。
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