CN1753167A - 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，能够修复、修补、和/或保护光电二极管区的表面，以及改善该图像传感器的特性。该方法包括以下步骤：形成光电二极管区和多个晶体管；将预定离子注入光电二极管区的表面；以及通过氧化在光电二极管区的表面上形成表面氧化膜。从而，可以恢复或修补在不同制造处理期间损坏的光电二极管的表面，减少或最小化光电二极管在随后的处理期间的表面渗漏，以及通过增加在光电二极管上的入射光来改善图像传感器的特性。

Description

CMOS图像传感器及其制造方法
本申请要求2004年9月21日提交的韩国专利申请第P2004-75443号的优先权，其全部内容结合于此作为参考。
技术领域
本发明涉及互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器，更具体而言，涉及一种用于制造CMOS图像传感器的方法，用于修复和/或保护光电二极管的表面和改善图像传感器的特性。
背景技术
通常，CMOS图像传感器是使用像素阵列将光学图像，即入射光，转化成电输出信号的装置，每单位像素包括P-N结光电二极管以及附属的CMOS晶体管电路。
由于每个阵列有大量的像素单元，因此CMOS图像传感器使用切换模式，该切换模式利用与像素数量成正比数量的MOS晶体管顺序地检测各单位像素的电输出信号。关于CMOS图像传感器需要着重考虑的是对入射光要具有高灵敏度。
CMOS图像传感器相对于广泛使用的电荷耦合器件(CCD)具有若干优点，例如驱动模式简单，有多种扫描模式，因为或通过使信号处理电路集成在单一芯片上而使产品微型化，兼容的CMOS技术使得制造成本降低，并使运行功率消耗降低。
根据在每个像素中使用的晶体管的数量将CMOS图像传感器分类，包括：三晶体管(3T)型、四晶体管(4T)型、和五晶体管(5T)型。3T型CMOS图像传感器包括光电二极管和三个晶体管。4T型CMOS图像传感器包括光电二极管和四个晶体管。5T型CMOS图像传感器包括光电二极管和五个晶体管。下面将参照图1和图2，描述4T型CMOS图像传感器的单位像素的等效电路和布置图。
图1是示出相关技术的4T型CMOS图像传感器的电路图。图2A-2C是示出相关技术的CMOS图像传感器的部分制造工艺的横截面图。
如图1所示，一般相关技术的4T型CMOS图像传感器包括由一个光电二极管和四个MOS晶体管构成的单位像素。该CMOS图像传感器包括：光电二极管100，用于响应入射光，产生电荷；传递晶体管(transfer transistor)101，用于响应信号Tx，将光电二极管100中收集的电荷传递到浮动扩散区(floating diffusion area)102；复位晶体管103，用于响应于信号Tx，将浮动扩散区102的电势设定为期望值，并发射电荷以复位浮动扩散区102；激励晶体管104，充当源输出缓冲放大器(source follower buffer amplifier)；以及选择晶体管105，用于响应于信号Sx，寻址转换模式。在单位像素外形成负载晶体管106，以响应于信号RL，读取输出信号(或将输出结点的电势设定为期望值，例如地电势)。
接下来将参照附图，描述用于制造CMOS图像传感器的相关技术方法。
图2A至图2C是示出制造包扩四个晶体管和一个光电二极管的CMOS图像传感器的相关技术工艺的截面图。这些相关技术CMOS图像传感器制造的示图集中在光电二极管区和与光电二极管区相邻的传递晶体管。
首先，如图2A所示，在半导体衬底11上形成栅电极12，在在半导体衬底与栅电极之间通常具有栅氧化膜。在衬底11上形成阻隔氧化膜(barrier oxide film)13，以在衬底11上进行各种离子注入处理的过程中使半导体衬底11的表面泄漏最小化。
然后，虽然没有示出，但是可以形成光刻胶(photoresist，光致抗蚀剂)图样以暴露部分的半导体衬底11用于离子注入，以形成轻掺漏极(LDD)区和N型源/漏(NSD)区。通过使用光刻胶图样作为离子注入掩模来形成LDD区和NSD区。
接着，如图2B所示，使光刻胶PR形成图样，使留下的半导体衬底11上具有阻隔氧化膜13的一部分暴露。使用该图样PR作为离子注入掩膜，在半导体衬底11的暴露部分中形成光电二极管区PD14。
如图2B所示，在传递晶体管Tx的栅电极12的边缘以每个的一侧与另一侧彼此对准的方式形成光电二极管区14。此后，除去图样PR。
随后，如图2C所示，通过沉积用于隔离物的绝缘膜并各向异性地蚀刻整个绝缘膜，以在栅电极12的(两)侧壁上形成隔离物12a。然后通过湿法蚀刻处理除去阻隔氧化膜13。
用于制造CMOS图像传感器的相关技术制造工艺存在一些可看作是相同问题的问题。正如所讨论的，在顺序地形成栅电极12和阻隔氧化膜13之后，随后执行离子注入处理，以形成LDD区、NSD区、和光电二极管区14。然而，一些形成和除去光刻胶的处理以及用于除去氧化膜的蚀刻处理会损坏单位像素的光电二极管表面。这是导致泄漏的根源。
如上所述，当光电二极管PD14的表面特性变差时，可引起半导体衬底11中的硅晶格的错位。而且，硅晶格结构的错位部分可充当能够俘获电子的电子陷阱。电子陷阱中俘获的电子通过传递晶体管Tx影响图像显示。结果，CMOS图像传感器的性能会下降。
发明内容
因此，本发明旨在提供一种CMOS图像传感器及其制造方法，其能够基本消除由于相关技术的局限性和缺陷导致的一个或多个问题。
本发明的一个目的在于提供一种改善了光电二极管的表面特性的图像传感器和制造方法，例如，通过修复表面和减少可由各种制造工艺步骤引起的(例如光电二极管的或通过光电二极管的)表面泄漏，来改善光电二极管的表面特性。
本发明的另一目的在于提供一种改善了图像传感器的特性的CMOS图像传感器及其制造方法。
本发明的其它优点、目的和特征将至少部分地在随后的说明书中阐述，部分地在本领域普通技术人员分析以下内容的基础上变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其它优点可通过在说明书、权利要求、以及附图中所特别指出的结构来实现和达到。
为了实现这些目的和其它优点，根据本发明的目的，如本文中所体现和概括描述的，一种用于制造CMOS图像传感器的方法，包括以下步骤：形成光电二极管区和多个晶体管；将预定离子注入光电二极管区的表面(其可能改变半导体衬底表面上的晶格结构)；以及在表面上形成表面氧化膜，在该表面上已经通过进行氧化处理改变了晶格结构。在光电二极管区上形成的表面氧化膜可以具有一定的曲率。
在随后的处理中通常不除去表面氧化膜，因此，该表面氧化膜可以是永久的。
可以在离子注入以形成光电二极管区和晶体管的期间所使用的阻隔氧化膜被除去之后，执行把预定离子注入光电二极管区的表面的步骤。
也可以在沉积光刻胶和形成光刻胶图样以仅暴露光电二极管区之后，执行将预定离子注入光电二极管区的表面的步骤。
预定离子可以包括第四族元素的任何一种(即，元素周期表中的IVA组元素)。
可以以10KeV至20KeV的离子注入能量执行将预定离子注入光电二极管区的表面的步骤。
因此，在本发明中，可以恢复或修复在先前的制造工艺中损坏的光电二极管表面和/或改进图像传感器的特性。
应该理解，本发明的先前的概述和随后的详述都是示例性的和说明性的，目的在于提供对所要求的本发明的进一步说明。
附图说明
附图提供了对本发明的进一步理解，并入并且构成本申请的一部分。附图说明本发明的实施例，并与说明书一起解释本发明原理。在附图中：
图1是示出相关技术的由四个晶体管和一个光电二极管组成的CMOS图像传感器的电路图；
图2A至图2C是示出制造相关技术的CMOS图像传感器的相关技术工艺步骤的截面图；
图3A至图3D是示出根据本发明的实施例的CMOS图像传感器和制造工艺的截面图；以及
图4是示出具有根据本法明的典型工艺步骤在光电二极管区上形成表面氧化膜的CMOS图像传感器的截面图。
具体实施方式
以下将详细参照本发明的优选实施例，其实例在附图中示出。只要有可能，在所有附图中就将使用相同的参考标号表示相同或相似的部件。
在一些实施例中，根据本发明的CMOS图像传感器包括一或多单位像素，每单位像素包括四个晶体管和光电二极管。在其他实施例中，CMOS图像传感器可包括三个晶体管和光电二极管。
下面将参照图3A至图3D，描述根据本发明的实施例的用于制造CMOS图像传感器的方法。因为参照图3A-3D所描述的以下实施例与参照图1和图2A-2C所描述的相关技术共同具有相同的元件，因此对这些相同元件的详细说明的某些方面可在对图1和图2A-2C的上述描述中找到。
图3A至图3D是示出根据本发明的制造CMOS图像传感器的处理步骤的截面图。参照图3D和图4，基于光电二极管区PD和与该光电二极管区相邻的传递晶体管来示出CMOS图像传感器。
参照图3A，在半导体衬底21上形成晶体管的栅电极22。然后形成阻隔氧化膜23。通过包括本文上述处理的已知处理，可以执行用于形成LDD区、NSD区、光电二极管区24、和栅电极22的隔离物22a的一系列处理。
如图3B所示，在形成光电二极管区24和栅电极22的隔离物22a之后，通过蚀刻处理从衬底21上除去阻隔氧化膜23。
随后，在包括栅电极22的半导体衬底21的整个表面上沉积光刻胶PR。然后，如图3C所示，将光刻胶PR形成图样以暴露光电二极管区24。换句话说，除光电二极管区24之外的区域都被光刻胶PR掩盖。
此后，在一些实施例中，使用形成图样的光刻胶作为离子注入掩膜将锗(Ge)注入光电二极管区24。可以使用元素周期表中的第四族元素的任何一种(例如硅)来替代锗。然而，优选地，第四族元素中不包括碳，从而不在该离子注入步骤中使用。
在一些实施例中，以10KeV至20KeV的微弱能量将锗(或诸如硅的其它第四族元素)注入光电二极管区24，从而半导体衬底21，或更具体而言，硅表面的晶格结构，能够被分解或错位。因此，注入光电二极管区PD的IVA族元素在此可以称为“晶格错位”离子，其注入在此可以称为“晶格错位”注入。最优选地，用于晶格错位离子注入的能量在15KeV的范围内。
此后，如图3D所示，除去用于锗(Ge)离子注入的光刻胶PR。在一些实施例中，执行氧化处理，从而在光电二极管区24的分解了晶格结构的硅表面上形成表面氧化膜25。
氧化膜25通常由传统的湿热氧化或干热氧化来形成。然而，正如在技术领域内已知的，它也可以通过均厚沉积(blanketdeposition，席状沉积)(例如，诸如PE-CVD或HDP-CVD的CVD)，由诸如TEOS或硅烷(SiH4)的硅源以及诸如臭氧(O3)或氧气(O2)的氧源来形成，只要随后将其充分退火以修复由晶格错位注入步骤引起的一些或全部错位。
在一些实施例中，表面氧化膜25较厚地形成在光电二极管区24的硅表面上。在其他实施例中，表面氧化膜25可具有非均匀的厚度。在一些实施例中，由于氧化处理，导致在光电二极管区24上形成的表面氧化膜25可具有一定曲率(例如凸上表面)，并且弯曲的氧化膜25随后可以充当透镜。
如果在通过锗注入改变对应于光电二极管区24的硅晶格结构之后执行氧化处理，则在光电二极管区24的硅表面上形成表面氧化膜25。表面氧化膜25起到恢复和/或修补在前一处理步骤中损坏的光电二极管PD表面的作用，并会有助于减少或最小化在下一处理步骤期间光电二极管PD的表面泄漏。
而且，可以在不除去光电二极管区24上形成的表面氧化膜25的情况下执行随后的处理步骤，因此当产品完全制成之后驱动或操作该装置时，表面氧化膜25可充当透镜。这减少了外部入射光的损失并增加了到达光电二极管的入射光量，因此改善了图像传感器的图像显示特性。
图4示出了形成在光电二极管PD的硅表面上的表面氧化膜25将外部入射光会聚到光电二极管的情况。
如上所述，根据本发明的图像传感器和用于制造CMOS图像传感器的方法具有多个优点，部分或全部优点可以体现在本发明所包括的许多实施例的每一个中。
首先，在一些实施例中，表面氧化膜的形成使得可以恢复或修补在各种制造处理期间损坏的光电二极管的硅表面，以及减少或最小化光电二极管在随后的处理和/或操作期间的表面渗漏。
此外，在一些实施例中，可以通过增加光电二极管上的入射光来改善图像传感器的特性。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (21)

1.一种用于制造CMOS图像传感器的方法，包括以下步骤：
在半导体衬底中和/或在半导体衬底上形成光电二极管区和多个晶体管；
将预定离子注入所述光电二极管区的表面；以及通过氧化在所述光电二极管区的所述表面上形成表面氧化膜。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述光电二极管区上的所述表面氧化膜具有曲率。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述表面氧化膜是永久的。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括：在将预定离子注入所述光电二极管区的所述表面的步骤之前，除去在形成所述光电二极管区和所述晶体管的步骤期间使用的阻隔氧化膜。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括：在将所述预定离子注入所述光电二极管区的所述表面的步骤之前，沉积光刻胶并使光刻胶形成图样，以仅暴露所述光电二极管区。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预定离子包括IVA族元素。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述预定离子包括锗。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，以10KeV至20KeV的离子注入能量执行将预定离子注入所述光电二极管区的所述表面的步骤。
9.一种用于制造CMOS图像传感器的方法，包括以下步骤：
在半导体衬底的表面上或在半导体衬底的表面中形成光电二极管区；
将晶格错位离子注入所述光电二极管区；以及在足以修补由注入步骤引起的错位的条件下，在所述光电二极管区上形成氧化膜。
10.根据权利要求9的方法，其中，形成所述氧化膜的步骤包括：
热氧化所述光电二极管区的表面。
11.根据权利要求9的方法，其中，所述氧化膜具有非均匀厚度。
12.根据权利要求11的方法，其中，所述氧化膜具有凸表面。
13.根据权利要求11的方法，其中，所述氧化膜将入射光聚焦到所述光电二极管上。
14.根据权利要求9所述的方法，其中，在所述光电二极管形成步骤期间，所述半导体衬底上具有阻隔膜，以及所述方法还包括：
在注入所述晶格错位离子的步骤之前除去所述阻隔膜。
15.根据权利要求9所述的方法，其中，所述晶格错位离子包括IVA族元素。
16.根据权利要求9所述的方法，其中，以10KeV至20KeV的能量注入所述晶格错位离子。
17.一种CMOS图像传感器，包括：
半导体衬底，在单位像素区中具有光电二极管；以及氧化膜，在所述光电二极管上，所述氧化膜具有非均匀厚度。
18.根据权利要求17所述的CMOS图像传感器，其中，所述氧化膜将入射光聚焦到所述光电二极管上。
19.根据权利要求17所述的CMOS图像传感器，其中，所述氧化膜包括热氧化膜。
20.根据权利要求17所述的CMOS图像传感器，其中，所述光电二极管包括注入的光电二极管离子和注入的晶格错位离子。
21.根据权利要求17所述的CMOS图像传感器，其中，所述晶格错位离子包括锗。
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