CN107994044A - Cmos图像传感器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种CMOS图像传感器，CMOS图像传感器的像素单元中包括感光二极管的N型注入区和形成在N型注入区的表面P型注入区；P型注入区和N型注入区的区域大小具有由相同的光刻版定义的自对准结构，P型注入区的区域大小是在N型注入区形成之后通过对N型注入区的掩膜进行各项同性的刻蚀后扩大形成的；N型注入区的掩膜由N型注入区对应的光刻版定义。本发明还公开了一种CMOS图像传感器的制造方法。本发明能节省一块光刻版，节约工艺成本，且能提高工艺稳定性，方便量产。

Description

CMOS图像传感器及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种半导体集成电路制造领域，特别涉及一种CMOS图像传感器；本发明还涉及一种CMOS图像传感器的制作方法。
背景技术
现有CMOS图像传感器(CMOS Image Sensor，CIS)由像素(Pixel)单元电路和 CMOS电路构成，相对于CCD图像传感器，CMOS图像传感器因为采用CMOS标准制作工艺，因此具有更好的可集成度，可以与其他数模运算和控制电路集成在同一块芯片上，更适应未来的发展。
根据现有CMOS图像传感器的像素单元电路所含晶体管数目，其主要分为3T型结构和4T型结构。
如图1所示，是现有3T型CMOS图像传感器的像素单元电路的等效电路示意图；现有3T型CMOS图像传感器的像素单元电路包括感光二极管D1和CMOS像素读出电路。所述CMOS像素读出电路为3T型像素电路，包括复位管M1、放大管M2、选择管M3，三者都为NMOS管。
所述感光二极管D1的N型区和所述复位管M1的源极相连。
所述复位管M1的栅极接复位信号Reset，所述复位信号Reset为一电位脉冲，当所述复位信号Reset为高电平时，所述复位管M1导通并将所述感光二极管D1的电子吸收到读出电路的电源Vdd中实现复位。当光照射的时候所述感光二极管D1产生光生电子，电位升高，经过放大电路将电信号传出。所述选择管M3的栅极接行选择信号Rs，用于选择将放大后的电信号输出即输出信号Vout。
如图2所示，是现有4T型CMOS图像传感器的像素单元电路的等效电路示意图；和图1所示结构的区别之处为，图2所示结构中多了一个转移晶体管或称为传输管M4，所述转移晶体管4的源区为连接所述感光二极管D1的N型区，所述转移晶体管4的漏区为浮空有源区(Floating Diffusion，FD)，所述转移晶体管4的栅极连接传输控制信号Tx。所述感光二极管D1产生光生电子后，通过所述转移晶体管4转移到浮空有源区中，然后通过浮空有源区连接到放大管M2的栅极实现信号的放大。
通常，感光二极管D1采用N型针扎型光电二极管(Pinned Photo Diode，PPD) 即NPPD；NPPD主要由N型注入区和N型注入区底部的P型半导体衬底之间形成的PN 结二极管组成，同时在N型注入区的表面还形成有P+层，实现针扎型光电二极管结构； N型注入区在感光二极管感光后存储光生电子。NPPD型的感光二极管D1中的N型区四周被P型区包围包围，能使CIS得到较好的满阱容量(Full Well Capacity，FWC)，从而提高CIS的性能。
如图3所示，是现有CMOS图像传感器的各像素单元的感光二极管的结构示意图，在P型半导体衬底101的表面形成有N型注入区102，在N型注入区102的周侧形成隔离结构103，通常该隔离结构采用P型阱组成。通常，P型半导体衬底101的表面还形成有P型外延层如P型硅外延层，N型注入区102形成于P型硅外延层上，N型注入区102和P型硅外延层都为轻掺杂结构并形成PN结二极管，由该PN结二极管组成感光二极管，感光二极管在接收光子后产生光生电子并存储在N型注入区102中。为了形成针扎型结构，在N型注入区102的表面还覆盖有P型注入区104。通常，将 N型注入区102称为NPPD，将P型注入区104称为PPPD。
在现有工艺中，N型注入区102和P型注入区104通常需要分布采用光刻工艺进行定义，多次光刻工艺不仅成本低，而且还需要对N型注入区102和P型注入区104 进行对准，会对工艺稳定性产生一定影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种CMOS图像传感器，能实现感光二极管的N型注入区和N型注入区表面的P型注入区的自对准定义，从而能节省一块光刻版，节约工艺成本，且能提高工艺稳定性，方便量产。为此，本发明还提供一种CMOS图像传感器的制造方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的CMOS图像传感器的各像素单元中包括：N 型注入区和P型注入区。
所述N型注入区形成于P型半导体衬底表面且由所述N型注入区和所述P型半导体衬底之间形成的PN结二极管作为感光二极管；所述N型注入区在所述感光二极管感光后存储光生电子。
所述P型注入区形成于所述N型注入区的表面并从所述N型注入区的顶部将所述 N型注入区覆盖，使所述感光二极管感呈针扎型结构。
所述P型注入区和所述N型注入区的区域大小具有由相同的光刻版定义的自对准结构，所述P型注入区的区域大小是在所述N型注入区形成之后通过对所述N型注入区的掩膜进行各项同性的刻蚀后扩大形成的；所述N型注入区的掩膜由所述N型注入区对应的光刻版定义。
进一步的改进是，所述N型注入区的俯视面结构为圆形或多边形。
进一步的改进是，所述N型注入区的掩膜为光刻胶掩膜。
进一步的改进是，所述N型注入区的掩膜为介质层掩膜。
进一步的改进是，所述P型注入区为一P+区。
进一步的改进是，在所述P型半导体衬底的表面还形成有P型外延层，所述N型注入区形成于所述P型外延层中。
进一步的改进是，所述P型半导体衬底为P型硅衬底。
进一步的改进是，在所述N型注入区的周侧隔离有由P型阱组成的隔离层。
为解决上述技术问题，本发明提供的CMOS图像传感器的制造方法中形成CMOS图像传感器的各像素单元的步骤包括：
步骤一、提供一P型半导体衬底，采用N型注入区的光刻版在所述P型半导体衬底表面形成打开了所述N型注入区的掩膜。
步骤二、在所述掩膜的定义下进行N型离子注入形成所述N型注入区，由所述N 型注入区和所述P型半导体衬底之间形成的PN结二极管作为感光二极管；所述N型注入区在所述感光二极管感光后存储光生电子。
步骤三、采用全面刻蚀工艺对所述掩膜进行刻蚀使所述掩膜的打开区域扩大，由所述掩膜的打开区域的扩大区域自对准定义出P型注入区的形成区域。
步骤四、在打开区域扩大后的所述掩膜的定义下进行P型离子注入形成所述P型注入区，所述P型注入区形成于所述N型注入区的表面并从所述N型注入区的顶部将所述N型注入区覆盖，使所述感光二极管感呈针扎型结构。
进一步的改进是，所述N型注入区的俯视面结构为圆形或多边形。
进一步的改进是，步骤一中，所述N型注入区的掩膜为光刻胶掩膜，先在所述P 型半导体衬底表面涂布光刻胶，之后采用所述N型注入区的光刻版对所述光刻胶进行曝光和显影形成所述N型注入区的掩膜。
进一步的改进是，步骤一中，所述N型注入区的掩膜为介质层掩膜，先在所述P 型半导体衬底表面形成介质层；之后涂布光刻胶，之后采用所述N型注入区的光刻版对所述光刻胶进行曝光和显影；之后对所述介质层进行刻蚀形成打开所述N型注入区的掩膜；之后去除所述光刻胶。
进一步的改进是，在所述P型半导体衬底的表面还形成有P型外延层，所述N型注入区形成于所述P型外延层中。
进一步的改进是，所述P型半导体衬底为P型硅衬底。
进一步的改进是，步骤一中提供的所述P型半导体衬底中形成有由P型阱组成的隔离层，在所述N型注入区形成后所述隔离层围绕在所述N型注入区的周侧。
本发明的CMOS图像传感器的各像素单元的感光二极管的N型注入区和位于N型注入区表面的P型注入区都是由相同的光刻版定义，形成了自对准结构，P型注入区的区域大小是在N型注入区形成之后通过对N型注入区的掩膜进行各项同性的刻蚀后扩大形成的；N型注入区的掩膜由N型注入区对应的光刻版定义，所以本发明实现了 N型注入区和P型注入区采用同一块光刻版定义，节省了一块光刻版，能节约工艺成本；且由于仅需要一次光刻工艺实现，所以还能提高工艺稳定性，方便量产。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1是现有3T型CMOS图像传感器的像素单元电路的等效电路示意图；
图2是现有4T型CMOS图像传感器的像素单元电路的等效电路示意图；
图3是现有CMOS图像传感器的各像素单元的感光二极管的结构示意图；
图4是本发明实施例CMOS图像传感器的制作方法的流程图；
图5是本发明实施例CMOS图像传感器的各像素单元的感光二极管的结构示意图；
图6A-图6B是本发明实施例方法中形成CMOS图像传感器的各像素单元的感光二极管的各步骤中的器件结构示意图；
图7A是图6A中对应的光刻胶图形打开区域的示意图；
图7B是图6B中对应的光刻胶图形打开区域的示意图。
具体实施方式
如图5所示，是本发明实施例CMOS图像传感器的各像素单元的感光二极管的结构示意图；本发明提供的CMOS图像传感器的各像素单元中包括：N型注入区2和P 型注入区4。
所述N型注入区2形成于P型半导体衬底1表面且由所述N型注入区2和所述P 型半导体衬底1之间形成的PN结二极管作为感光二极管；所述N型注入区2在所述感光二极管感光后存储光生电子。
所述N型注入区2的俯视面结构为圆形或多边形。
较佳为，在所述P型半导体衬底1的表面还形成有P型外延层，所述N型注入区 2形成于所述P型外延层中。所述P型半导体衬底1为P型硅衬底，所述P型外延层也为硅外延层。在所述N型注入区2的周侧隔离有由P型阱组成的隔离层3。
所述P型注入区4形成于所述N型注入区2的表面并从所述N型注入区2的顶部将所述N型注入区2覆盖，使所述感光二极管感呈针扎型结构。
较佳为，所述P型注入区4为一P+区。
所述P型注入区4和所述N型注入区2的区域大小具有由相同的光刻版定义的自对准结构，所述P型注入区4的区域大小是在所述N型注入区2形成之后通过对所述 N型注入区2的掩膜进行各项同性的刻蚀后扩大形成的；所述N型注入区2的掩膜由所述N型注入区2对应的光刻版定义。
所述N型注入区2的掩膜为光刻胶掩膜。或者，所述N型注入区2的掩膜为介质层掩膜。
如图4所示，是本发明实施例CMOS图像传感器的制作方法的流程图；如图6A至图6B所示，是本发明实施例方法中形成CMOS图像传感器的各像素单元的感光二极管的各步骤中的器件结构示意图；图7A是图6A中对应的光刻胶图形打开区域的示意图；图7B是图6B中对应的光刻胶图形打开区域的示意图；本发明实施例CMOS图像传感器的制造方法中形成CMOS图像传感器的各像素单元的步骤包括：
步骤一、如图6A所示，提供一P型半导体衬底1，采用N型注入区2的光刻版在所述P型半导体衬底1表面形成打开了所述N型注入区2的掩膜301。
较佳为，在所述P型半导体衬底1的表面还形成有P型外延层，后续的N型注入区2形成于所述P型外延层中。所述P型半导体衬底1为P型硅衬底，所述P型外延层也为硅外延层。
所述P型半导体衬底1中形成有由P型阱组成的隔离层3，在所述N型注入区2 形成后所述隔离层3围绕在所述N型注入区2的周侧。
定义的所述N型注入区2的俯视面结构为圆形或多边形。
所述N型注入区2的掩膜301为光刻胶掩膜301，先在所述P型半导体衬底1表面涂布光刻胶，之后采用所述N型注入区2的光刻版对所述光刻胶进行曝光和显影形成所述N型注入区2的掩膜301。
或者，所述N型注入区2的掩膜301为介质层掩膜301，先在所述P型半导体衬底1表面形成介质层；之后涂布光刻胶，之后采用所述N型注入区2的光刻版对所述光刻胶进行曝光和显影；之后对所述介质层进行刻蚀形成打开所述N型注入区2的掩膜301；之后去除所述光刻胶。
步骤二、如图6A所示，在所述掩膜301的定义下进行N型离子注入302形成所述N型注入区2，由所述N型注入区2和所述P型半导体衬底1之间形成的PN结二极管作为感光二极管；所述N型注入区2在所述感光二极管感光后存储光生电子。
如图7A所示，图6A中对应的光刻胶图形打开区域的示意图；标记304对应的区域为形成所述N型注入区2的区域。
步骤三、如图6B所示，采用全面刻蚀工艺对所述掩膜301进行刻蚀使所述掩膜 301的打开区域扩大，由所述掩膜301的打开区域的扩大区域自对准定义出P型注入区3的形成区域。图6B中单独用标记301a表示打开区域扩大后的掩膜。
步骤四、如图6B所示，在打开区域扩大后的所述掩膜301a的定义下进行P型离子注入303形成所述P型注入区4，所述P型注入区4形成于所述N型注入区2的表面并从所述N型注入区2的顶部将所述N型注入区2覆盖，使所述感光二极管感呈针扎型结构。
如图7B所示，图6B中对应的光刻胶图形打开区域的示意图；标记304a对应的区域为形成所述P型注入区4的区域。标记304a所对应的区域仅是在图7A的标记304 所对应的区域的基础上自对准扩大而成。
本发明实施例的CMOS图像传感器的各像素单元的感光二极管的N型注入区2和位于N型注入区2表面的P型注入区4都是由相同的光刻版定义，形成了自对准结构， P型注入区4的区域大小是在N型注入区2形成之后通过对N型注入区2的掩膜进行各项同性的刻蚀后扩大形成的；N型注入区2的掩膜由N型注入区2对应的光刻版定义，所以本发明实施例实现了N型注入区2和P型注入区4采用同一块光刻版定义，节省了一块光刻版，能节约工艺成本；且由于仅需要一次光刻工艺实现，所以还能提高工艺稳定性，方便量产。
以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (15)

1.一种CMOS图像传感器，其特征在于，CMOS图像传感器的各像素单元中包括：N型注入区和P型注入区；
所述N型注入区形成于P型半导体衬底表面且由所述N型注入区和所述P型半导体衬底之间形成的PN结二极管作为感光二极管；所述N型注入区在所述感光二极管感光后存储光生电子；
所述P型注入区形成于所述N型注入区的表面并从所述N型注入区的顶部将所述N型注入区覆盖，使所述感光二极管感呈针扎型结构；
所述P型注入区和所述N型注入区的区域大小具有由相同的光刻版定义的自对准结构，所述P型注入区的区域大小是在所述N型注入区形成之后通过对所述N型注入区的掩膜进行各项同性的刻蚀后扩大形成的；所述N型注入区的掩膜由所述N型注入区对应的光刻版定义。
2.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于：所述N型注入区的俯视面结构为圆形或多边形。
3.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于：所述N型注入区的掩膜为光刻胶掩膜。
4.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于：所述N型注入区的掩膜为介质层掩膜。
5.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于：所述P型注入区为一P+区。
6.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于：在所述P型半导体衬底的表面还形成有P型外延层，所述N型注入区形成于所述P型外延层中。
7.如权利要求1或6所述的CMOS图像传感器，其特征在于：所述P型半导体衬底为P型硅衬底。
8.如权利要求1或6所述的CMOS图像传感器，其特征在于：在所述N型注入区的周侧隔离有由P型阱组成的隔离层。
9.一种CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于，形成CMOS图像传感器的各像素单元的步骤包括：
步骤一、提供一P型半导体衬底，采用N型注入区的光刻版在所述P型半导体衬底表面形成打开了所述N型注入区的掩膜；
步骤二、在所述掩膜的定义下进行N型离子注入形成所述N型注入区，由所述N型注入区和所述P型半导体衬底之间形成的PN结二极管作为感光二极管；所述N型注入区在所述感光二极管感光后存储光生电子；
步骤三、采用全面刻蚀工艺对所述掩膜进行刻蚀使所述掩膜的打开区域扩大，由所述掩膜的打开区域的扩大区域自对准定义出P型注入区的形成区域；
步骤四、在打开区域扩大后的所述掩膜的定义下进行P型离子注入形成所述P型注入区，所述P型注入区形成于所述N型注入区的表面并从所述N型注入区的顶部将所述N型注入区覆盖，使所述感光二极管感呈针扎型结构。
10.如权利要求9所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于：所述N型注入区的俯视面结构为圆形或多边形。
11.如权利要求9所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于：步骤一中，所述N型注入区的掩膜为光刻胶掩膜，先在所述P型半导体衬底表面涂布光刻胶，之后采用所述N型注入区的光刻版对所述光刻胶进行曝光和显影形成所述N型注入区的掩膜。
12.如权利要求9所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于：步骤一中，所述N型注入区的掩膜为介质层掩膜，先在所述P型半导体衬底表面形成介质层；之后涂布光刻胶，之后采用所述N型注入区的光刻版对所述光刻胶进行曝光和显影；之后对所述介质层进行刻蚀形成打开所述N型注入区的掩膜；之后去除所述光刻胶。
13.如权利要求9所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于：在所述P型半导体衬底的表面还形成有P型外延层，所述N型注入区形成于所述P型外延层中。
14.如权利要求9或13所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于：所述P型半导体衬底为P型硅衬底。
15.如权利要求9或13所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于：步骤一中提供的所述P型半导体衬底中形成有由P型阱组成的隔离层，在所述N型注入区形成后所述隔离层围绕在所述N型注入区的周侧。
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