CN1815716A - Cmos图像传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种CMOS图像传感器及其制造方法，其中，通过形成根据透过滤色器层接收到的入射光的波长而改变深度的光电二极管来提高色平衡。预定的深度随着入射光波段的波长的增加而由浅到深，以使对于例如蓝光的入射光的波段的最短波长，预定的深度最浅，而对于例如红光的入射光的波段的最长波长，预定深度最深。

Description

CMOS图像传感器及其制造方法

本申请要求于2004年12月21日提交的韩国专利申请第10-2004-0109603号的优先权，其全部内容结合于此作为参考。

技术领域

本发明涉及图像传感器，尤其是互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器及其制造方法，其中控制光电二极管投射(projection)深度来获得改善的色平衡。

背景技术

图像传感器是用于将光学图像转换成电信号的半导体器件，包括电荷耦合器件和互补型金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。

一般的电荷耦合器件包括将光信号转换成电信号的光电二极管阵列，多个垂直的电荷耦合器件，形成在以矩阵型配置对准的各垂直光电二极管之间，并垂直地传送产生自各光电二极管的电荷，水平电荷耦合器件，用于水平地传送由各垂直电荷耦合器件传送的电荷，以及读出放大器，用于检测和输出水平传送的电荷。电荷耦合器件的缺陷在于驱动方法复杂、高功耗、以及需要多级照相处理的复杂制造工艺。另外，在电荷耦合器件中，难以将诸如控制电路、信号处理器、以及模数转换器这样的互补电路集成到单芯片器件中，因而，阻碍了利用这种图像传感器的紧凑型(薄型)产品的发展，例如，数字照相机和数字摄像机。

另一方面，CMOS图像传感器采用了利用控制电路和信号处理电路作为外围电路的CMOS技术，还采用了允许利用与排列的像素的数量对应设置的MOS晶体管顺序检测输出而由此检测图像的开关技术。另外，CMOS图像传感器利用了CMOS制造技术，即，使用更少光刻步骤的简单的制造方法，从而使器件具有低功耗。

在上述的CMOS图像传感器中，通常，光电二极管是基于入射光信号形成光学图像的有源器件。在这种CMOS图像传感器中，每个光电二极管检测入射光，相应的CMOS逻辑电路根据输入波长将所检测到的光转换成电信号，光电二极管的光敏性随着更多光线可以到达光电二极管而增加。一种提高CMOS图像传感器的光敏性的方式是提高其“填充系数”，即，由光电二极管所占的表面区域与图像传感器的整个表面区域的比值度。因此，通过增加响应入射光的区域来提高填充系数。当全部波长(白光)的量子效率是1时，即，表示到达光电二极管的穿过光谱的平衡的传输，包括在光电二极管处接收的互补成分的红光、蓝光、和绿光，进一步促进了入射到光电二极管上的光的集中。

为了将入射光集中到一个或多个光电二极管上，可以提供具有优异的光透射比的材料制成的诸如用于折射入射光的凸微透镜这样的器件。凸微透镜可用于将入射到光电二极管的紧邻区域外的图像传感器上的任何光重新导向。在彩色图像传感器中，具有预定的曲率(即，凸透镜)的这种微透镜可以被设置在用于通过各种颜色(波长)的光的滤色器层的上方。如图1所示，根据相关技术的CMOS图像传感器包括设置用于根据入射光的强度和波长产生电信号的三个光电二极管。

参看图1，根据相关技术的CMOS图像传感器包括限定器件隔离区域和有源区域的p型半导体衬底10上生长的p型外延层11。场氧化物层12形成在半导体衬底10的隔离区域中，以将蓝(B)光、绿(G)光、和红(R)光的光信号输入区域彼此隔离开。作为彩色图像传感器的各光电二极管的第一、第二和第三n型区域13、14和15通过在半导体衬底10的有源区域中进行离子植入来形成相等的深度。接下来，通过插入图样化有门(gate)电极的门绝缘膜16，在半导体衬底10的有源区域上形成一系列的门电极17。在各门电极的侧面形成电介质隔离物(spacer)18。在包括门电极17的半导体衬底10的整个表面的上方形成电介质中间层19。包括蓝、绿、红滤色器(即，滤色器阵列)的滤色器层20形成在电介质中间层19上，以对应第一、第二和第三n型区域13、14和15。在包括滤色器层20的半导体衬底10的整个表面的上方形成平坦化层21。在平坦化层21上形成对应滤色器层20的各滤色器的多个微透镜22。

在CMOS图像传感器的运行过程中，入射光由微透镜会聚并由各n型区域中的光电二极管接收。在该光信号接收过程中，各种颜色的光根据波长穿透硅层预定深度，例如红光这样的较长波长获得较深的穿透。

由于如上所述的相关技术的CMOS图像传感器的光电二极管分别由第一、第二和第三n型区域13、14和15形成，因此它们具有相同的投射深度，而不考虑预期的光谱接收，即，红光、绿光、或蓝光。然而，由于不同颜色(波长)的入射光的穿透深度不同，不考虑光谱接收而使用具有相同投射深度的光电二极管导致了例如红光这样的具有较长波长的颜色的吸收系数较低。这种在吸收方面的变化导致了光谱的红色端的不希望的较低的等级以及由此导致的颜色不平衡。进而，由于较长的波长及其较深的穿透，红光的吸收可能会超出相应的光电二极管(有源)区域的下限，并导致串扰，即，相邻的有源区域之间的电荷转移。

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，能基本上消除由于相关技术的限制和缺点造成的一个或多个问题。

本发明的一个优点是可以提供一种CMOS图像传感器及其制造方法，在用于彩色图像检测的光电二极管的排列中获得色平衡。

本发明的另一个优点是可以提供一种CMOS图像传感器，由此光电二极管根据入射到滤色器层的相应滤色器的光的波长而具有变化的投射深度。

本发明的另一个优点是可以提供一种CMOS图像传感器，由此对于较长波长的入射光，有源区域(光电二极管)的投射深度较深。

本发明的另一个优点是可以提供一种CMOS图像传感器，其中可以减少串扰。

本发明的另一个优点是可以提供一种制造上述任一种CMOS图像传感器的合适的方法。

在以下描述中，本发明另外的特征和优点将部分地得以阐述，通过该说明部分地将变得显而易见，或可从本发明的实施获得。

如本文中所体现和广泛描述的，为了获得根据本发明的实施例的这些和其它优点，提供了一种具有多个有源器件的CMOS图像传感器，该有源器件用于根据波长接收对应的多个波段的每一波段的入射光。该传感器包括：半导体衬底；和用于各波段的入射光的有源区域，分别形成在半导体衬底表面的上方，具有相对各波段的入射光的预定深度。

应当理解，本发明的上述一般性描述和下述具体描述是示范性和说明性的，目的在于提供对所要求的本发明的进一步的说明。

附图说明

附图、本发明的说明性实施例、以及描述用以说明本发明的原理，其中附图包含进来以提供对本发明的原理进一步的理解，且整合在本申请中并构成本发明的部分。

在图中：

图1是相关技术的CMOS图像传感器的剖面图；

图2A-2G是图解根据本发明的用于制造CMOS图像传感器的方法步骤。

具体实施方式

现在详细参看本发明的一些优选实施例，其实例在附图中示出。在任何可能的位置，相同的参考标号将在图中自始至终是指相同或相似部分。而且，所示的层厚度、相对比例以及其他尺寸可能被夸大或变形，以便更清楚的描述半导体元件以及材料，包括层、膜、沉积物、和其他区域。

图2A-2G图解了根据本发明的一个实施例的用于制造CMOS图像传感器的方法步骤。

如图2A所示，在p⁺⁺型半导体衬底100上形成p^-型外延层101。单晶硅衬底被用作半导体衬底100。

如图2B所示，通过在半导体衬底100的用于限定有源区域的器件隔离区域中的浅沟槽隔离处理或硅的局部氧化处理来形成场氧化物层102。接下来，在外延层101上形成门绝缘膜103和用于形成门电极的材料层。门电极的材料可以是多晶硅或厚度大约为2000-3000的金属。部分门电极材料层和门绝缘膜103通过光刻和蚀刻处理被选择性地去除，由此在由场氧化物层102限定的有源区域内形成门电极104。所示的门电极104是每单位像素的转移(transfer)晶体管的门电极。一层(未示出)绝缘材料沉积在包括门电极104的半导体衬底100的整个表面上方，然后被深蚀刻以留下形成在每个门电极的侧面的电介质隔离物105。

如图2C所示，光刻胶被沉积在包括门电极104的半导体衬底100的整个表面上方并通过已知的曝光和显影处理被图样化，来形成具有对应于要通过离子植入形成的多个n型区域(作为用于接收蓝色、绿色、和红色光的光电二极管)中的每一个之处的开口的第一光刻胶图样106。利用第一光刻胶图样106作为掩模，首先植入轻度掺杂的n型杂质离子，由此在外延层101露出的表面中形成第一n型区域107。该露出的表面在场氧化物之一的上方一点到门电极上方一点之间延伸，以使场氧化物和门电极也作为掩模的一部分。在本发明的一个实施例中，光电二极管可以被预定的间隔分离开。应该理解，虽然第一n型区域107将被用于接收蓝色光的光电二极管，但是同样的离子植入也用于(同样的深度)其他颜色中的每个。

如图2D所示，在去除第一光刻胶图样106之后，第二光刻胶图样被沉积在半导体衬底100的整个表面的上方，并通过曝光和显影处理而被图样化，从而形成具有仅用于绿色和红色区域(即，用于接收绿色和红色光的光电二极管)的开口的第二光刻胶图样108。利用第二光刻胶图样108作为掩模，再次植入轻度掺杂的n型杂质离子，由此在外延层101露出的表面中，即，在每一个都被赋予相对于第一n型区域107(蓝色区域)深距离“g”的增加的深度的绿色和红色区域中，形成第二n型区域109。在绿色和红色区域达到的n型杂质离子的离子浓度和植入深度可取决于要制造的特定器件的结构和设计特性。在一个示例性的实施例中，上述第二n型区域109(绿色区域)的形成达到了比第一n型区域107(蓝色区域)深约10-50％的深度。

如图2E所示，在去除第二光刻胶108之后，第三光刻胶沉积在半导体衬底100的整个表面的上方，并通过曝光和显影处理被图样化，以形成具有仅用于红色区域的开口的第三光刻胶图样110。利用第三光刻胶图样110作为掩模，再次植入轻度掺杂的n型杂质离子，由此在外延层101露出的表面中形成第三n型区域111(红色区域)。通过这种处理，由此，红色区域被赋予相对于由第二离子植入(图2D)获得的区域109(绿色区域)的深度还深距离“r”的增加的深度。根据一个示范性的实施例，距离r大约为绿色区域的最终深度的10-50％。

因此，在根据本发明的用于制造CMOS图像传感器的方法的一个实施例中，作为有源器件区的各光电二极管区域的深度根据入射到各区域的光的波长变化，使得各光电二极管区域具有相对于对应滤色器层的多个波段的入射光之中的各入射光波段的预定深度。因此，预定的深度随着入射光波段的波长的增加而由浅到深地变化，以使对于入射光波段的最短波长，预定深度最浅，而对于入射光波段的最长波长，预定深度最深。同样，蓝色区域(n型区域107)最短，而红色区域(n型区域111)最长。

在本发明的一个实施例中，三个离子植入步骤是利用分别包括三个孔(蓝色、绿色和红色)、两个孔(绿色和红色)、和一个孔(红色)的孔径组的连续的掩模图样，以相等的能级进行的。在本发明的另一个实施例中，三个离子植入步骤是以增加的能级，和/或利用包括一个孔(蓝色)、一个孔(绿色)和一个孔(红色)的孔径组的连续的掩模图样进行的。

如图2F所示，在去除第三光刻胶110之后，电介质中间层112形成在半导体衬底100的整个表面的上方。此后，形成具有交错的多个滤色器的滤色器层。蓝色滤色器113对应于n型区域107形成在电介质中间层112上，绿色滤色器114对应于n型区域109在电介质中间层上形成，红色滤色器115对应于n型区域111在电介质中间层上形成。以这种方式，蓝色滤色器113设置在具有n型杂质离子的最浅植入深度的n型区域107的上方，红色滤色器115设置在具有n型杂质离子的最深植入深度的n型区域111的上方。这样，用于过滤各波段的波长的光的蓝色、绿色、和红色滤色器113、114、和115通过沉积盐抗蚀剂顺序地形成，然后经历曝光和显影处理。

如图2G所示，在包括滤色器层的半导体衬底100的整个表面上方形成平坦化层116，用于形成透镜的材料层被沉积在平坦化层116上。通过选择性地图样化微透镜材料层，然后回流被图样化的材料层，形成对应于滤色器层的滤色器113、114、和115的滤色器的多个微透镜117。例如抗蚀剂或四乙基硅酸盐(tetra-ethyl-ortho-silicate)这样的氧化物膜可以被用作微透镜材料层。

在本发明的CMOS图像传感器中，n型区域111和半导体衬底100之间的距离最短，n型区域107和半导体衬底100之间的距离最长。减少p型半导体型衬底和n型区域107、109和111之间的距离减少了相邻像素之间串扰发生的可能性，相邻像素之间串扰对于最长波长，即红色光，最为严重。如果p型半导体型衬底和n型区域107、109和111之间的距离被减少，在光电荷的回流期间，电子空穴对的重组就被积极地进行来减少了漂移电子的浓度，从而减少了串扰。因此，在本发明的一个实施例中，场氧化物层102的总深度至少等于n型区域中的最大(例如，红色)深度。

从而，在图2G中显示了根据本发明的CMOS图像传感器，其中p型外延层101在由器件隔离区域和有源区域限定的p型半导体衬底100上生长。场氧化物层102形成在器件隔离区域中，以隔离绿光、红光和蓝光的输入区域。作为光电二极管的n型区域107、109、和111在有源区域中以变化的深度形成。通过插入门绝缘膜103，在有源区域上形成门电极104。电介质隔离物105在门电极104的侧面形成。电介质中间层112在包括门电极104的半导体衬底100的整个表面的上方形成。滤色器层的滤色器113、114和115对应于形成的n型区域107、109和111在电介质中间层112上形成。平坦化层116在包括滤色器113、114、和115的半导体衬底100的整个表面的上方形成。微透镜117在平坦化层116上对应于各自的滤色器113、114、和115而形成。

在如上所描述的根据本发明的一个实施例的CMOS图像传感器及其制造方法中，由于红色光进入到其中的光电二极管形成的深度比其他二极管深，红色信号的特性可以被改善，以便分配由光电二极管中的红色光产生的光电荷。由于对应于红色光的光电二极管和p型半导体衬底之间的距离被减小了，从而可以减小相邻像素之间的串扰。

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、等同更换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种用于制造CMOS图像传感器的方法，所述CMOS图像传感器具有用于根据波长接收对应的多个波段的入射光的多个有源器件，所述方法包括：

在半导体衬底的上方形成用于各波段入射光的有源区域，其中，每个有源区域具有相对于入射光的每个波段的预定深度。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：

在所述半导体衬底上方形成覆盖各有源区域的电介质中间层；

在所述电介质中间层上形成滤色器层，所述滤色器层具有对应于各形成的有源区域的交错的多个滤色器；

在所述滤色器层上形成平坦化层；以及

在所述平坦化层上形成位于所述滤色器层的各滤色器上方的微透镜。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述多个滤色器包括红色滤色器、绿色滤色器、和蓝色滤色器。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，各有源区域形成为分别对应于所述蓝色滤色器、绿色滤色器、和红色滤色器的一系列的第一、第二、和第三光电二极管。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第三光电二极管形成的深度大于所述第一和第二光电二极管的深度。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第一光电二极管形成的深度小于所述第二和第三光电二极管的深度。

7.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第三光电二极管形成的深度比所述第二光电二极管的深度深约10-50％。

8.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第二光电二极管形成的深度比所述第一光电二极管的深度深约10-50％。

9.根据权利要求4所述的方法，其中，利用具有分别用于所述第一、第二、和第三光电二极管、用于所述第二和第三光电二极管、以及用于所述第三光电二极管的孔径组的连续的掩模图样、通过以相等的离子能量进行的三个离子植入步骤，来形成所述第一、第二、和第三光电二极管。

10.根据权利要求4所述的方法，其中，利用具有分别用于所述第一光电二极管、所述第二光电二极管、和所述第三光电二极管的孔径组的连续的掩模图样、通过以不同的离子能量进行的三个离子植入步骤，来形成所述第一、第二、和第三光电二极管。

11.根据权利要求4所述的方法，其中，所述有源区域的形成包括：在所述半导体衬底的上方沉积第一光刻胶膜，并将所述第一光刻胶膜图样化，以限定用于所述第一、第二和第三光电二极管的各区域；

利用所述图样化的第一光刻胶膜作为掩模，以第一离子植入能量将杂质离子植入所述各区域中的每一个，来形成所述第一光电二极管；

在所述半导体衬底的上方沉积第二光刻胶膜，并将所述第二光刻胶膜图样化，以便仅露出所述第二和第三光电二极管区域；

利用所述图样化的第二光刻胶膜作为掩模，以第二离子植入能量将杂质离子植入所述露出的第二和第三光电二极管区域中的每一个，来形成所述第二光电二极管；

在所述半导体衬底的上方沉积第三光刻胶膜，并将所述第三光刻胶膜图样化，以便只露出所述第三光电二极管区域；以及

利用所述图样化的第三光刻胶膜作为掩模，以第三离子植入能量将杂质离子植入所述露出的第三光电二极管区域，来形成所述第三光电二极管；

其中，所述第二离子植入能量高于所述第一离子植入能量，并且其中所述第三离子植入能量高于所述第二离子植入能量。

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