CN1819232A - 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，其包括：第一导电类型半导体衬底，包括有源区和器件隔离区；器件隔离膜，形成于半导体衬底的所述器件隔离区中；第二导电类型扩散区，形成于半导体衬底的有源区中；以及离子注入阻止层，形成于器件隔离膜的附近区域中，该附近区域包括器件隔离膜与第二导电类型扩散区之间的边界部分。
Description
相关申请及其交叉参考
本申请要求于2004年12月29日提交的第P2004-114787号韩国专利申请和于2004年12月29日提交的第P2004-114788号韩国专利申请的优先权，其全部内容结合于此作为参考。
技术领域
本发明涉及一种用于制造互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的方法，更具体地，涉及一种防止产生暗电流的CMOS图像传感器及其制造方法，由此改善了该图像传感器的性能。
背景技术
一般而言，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。图像传感器可分成电荷耦合器件(CCD)图像传感器或CMOS图像传感器。
CCD包括：布置成矩阵的多个光电二极管，用于将光信号转换成电信号；在多个光电二极管之间形成的多个垂直电荷耦合器件(VCCD)，用于转移垂直方向上的各个光电二极管所产生的电荷；多个水平电荷耦合器件(HCCD)，用于转移水平方向的VCCD所产生的电荷；以及读出放大器，用于读出沿水平方向转移的电荷，以输出电信号。
然而，上述的CCD由于复杂的驱动模式、高功耗、以及多阶段光刻过程，使得其制造工艺具有缺陷。另外，难以将信号处理电路和模数转换器集成到CCD芯片上。此外，难以实现小尺寸产品。
CMOS图像传感器旨在克服CCD的这些缺陷。CMOS图像传感器采用切换模式，该模式通过在半导体衬底上形成与单位像素的数量相对应的MOS晶体管，使用MOS晶体管顺序地检测单位像素的输出。CMOS技术使用控制电路和信号处理电路作为外围电路。CMOS图像传感器通过在单位像素中形成光电二极管和MOS晶体管，使用切换模式顺序地检测每个单位像素的电信号以显示图像。
CMOS图像传感器由于相对较少的光刻工序，所以可具有较低的功耗和简单的制造工艺。此外，由于CMOS图像传感器允许将控制电路、信号处理电路、和模数转换器集成到一个芯片上，所以可实现小尺寸产品。因此，CMOS图像传感器广泛地应用到各种应用中，例如数码相机和数码摄像机。
下面将参照图1到图2来详细地描述常规的CMOS图像传感器。
图1是示出了包括三个晶体管的3T型CMOS图像传感器的单位像素的布局图。如图1所示，3T型CMOS图像传感器的单位像素包括光电二极管20和晶体管区10。晶体管区10包括三个晶体管，即，复位晶体管Rx 120，用于复位光电二极管中收集的光电荷；激励晶体管Dx 130，用作源跟随缓冲放大器；以及选择晶体管Sx 140，用于切换寻址。
图2是沿图1中线II-II的剖视图。如图2所示，在P++型半导体衬底100上形成P-型外延层101，并在形成于P-型外延层101上的器件隔离区中形成器件隔离膜103。通过在外延层与栅极之间置入栅极绝缘膜121，在一部分的外延层101之上形成栅极123。在栅极123的两侧形成绝缘隔离物125。在由器件隔离膜103限定的外延层101的有源区上形成N-型扩散区131，以及在N-型扩散区131上形成P°型扩散区132。形成重掺N型扩散区(N+)和轻掺N型扩散区(N-)。重掺N型扩散区(N+)和轻掺N型扩散区(N-)用作源极和漏极区S/D。
然而，常规CMOS图像传感器具有缺陷，即由于暗电流导致传感器及其电荷储存能力性能变差。
暗电流是指由电子从光电二极管移动到另外的区域而产生的电流，使得光没有进入光电二极管。暗电流通常由各种缺陷或邻近半导体衬底表面的部分中、器件隔离膜与P°型扩散区之间的边界部分中、器件隔离膜与N-型扩散区之间的边界部分中、P°型扩散区与N-型扩散区之间的边界部分中、P°型扩散区中、以及N-型扩散区中所产生的自由键所导致的。
因此，在常规CMOS图像传感器中，P°型扩散区在光电二极管的表面上形成，以减少暗电流，尤其是减少靠近硅衬底表面的部分中所产生的暗电流。然而，常规CMOS图像传感器严重地受到器件隔离膜与P°型扩散区之间的边界部分中、以及器件隔离膜与N-型扩散区之间的边界部分中所产生的暗电流的影响。
更具体地，如图2所示，光刻胶图样(未示出)在半导体衬底100上形成为离子注入掩模层，以形成N-型扩散区131和P°型扩散区132。此时，用于光电二极管的整个有源区从光刻胶图样的开口中露出。这样，如果将用于N-型扩散区131和P°型扩散区132的杂质离子注入到光电二极管的有源区中，则杂质离子也注入到有源区与器件隔离膜103之间的边界部分中。
因此，器件隔离膜103与N-型扩散区131之间的边界部分、以及器件隔离膜103与P°型扩散区132之间的边界部分受到杂质离子的离子注入的损害，从而产生缺陷。这些缺陷导致电子空穴载流子以及电子的复合。由此，增大了光电二极管的泄漏电流，并使得CMOS图像传感器的暗电流增大。
如上所述，常规CMOS图像传感器具有一种结构，其中杂质离子在用于光电二极管的扩散区的形成的杂质离子的离子注入的过程中，被注入到光电二极管的器件隔离膜与有源区之间的边界部分中。由此，在常规CMOS图像传感器中，难以防止在光电二极管的器件隔离膜与有源区之间的边界部分中所产生的暗电流的增加。这限制了CMOS图像传感器的性能。
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，它能很好地解决由于相关技术的局限性和缺陷导致的一个或多个问题。
本发明提供了一种CMOS图像传感器及其制造方法，其中当形成器件隔离膜时在器件隔离膜的侧壁形成自对准离子注入阻止层，从而当形成光电二极管区时，阻止离子被注入到器件隔离膜的边界中，由此消除了暗电流，改善了传感器的性能。
本发明的其他优点和特征将在随后的说明中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构和方法来实现和获得。
为了实现这些和其他优点，如已概括和充分说明的，根据本发明的一种CMOS图像传感器包括：第一导电类型半导体衬底，包括有源区和器件隔离区；器件隔离膜，其形成于所述半导体衬底的器件隔离区中；第二导电类型扩散区，其形成于所述半导体衬底的有源区中；以及离子注入阻止层，其形成于所述器件隔离膜的附近区域中，所述附近区域包括所述器件隔离膜与所述第二导电类型扩散区之间的边界部分。
所述器件隔离膜可以是浅沟道隔离(STI)膜。
所述离子注入阻止层可通过将第一导电类型杂质离子注入到所述器件隔离区中而形成。所述第一导电类型杂质离子可以是B离子或BF2离子。
所述第一导电类型杂质离子可以被垂直地注入到所述器件隔离区中，使得形成在器件隔离膜的附近区域中的离子注入阻止层的底部比侧面厚。
所述CMOS图像传感器还可包括第一导电类型外延层，其生长于所述第一导电类型半导体衬底上。
在本发明的又一方面中，一种用于制造CMOS图像传感器的方法，包括以下步骤：在包括有源区和器件隔离区的第一导电类型半导体衬底上顺序地形成氧化膜和氮化膜；利用掩模层选择性地蚀刻所述氮化膜和所述氧化膜，以暴露所述半导体衬底的所述器件隔离区，并在所蚀刻的氮化膜和氧化膜的侧边形成聚合物；利用所述掩模层和所述聚合物作为掩模，在所暴露的半导体衬底的表面上形成沟道；去除所述掩模层和所述聚合物；在所述半导体衬底的表面中形成离子注入阻止层，其中利用所述氮化膜和所述氧化膜作为掩模，通过将第一导电类型杂质离子注入到所述半导体衬底的整个表面中来形成沟道；在所述沟道中形成器件隔离膜；去除所述氮化膜和所述氧化膜；以及在所述半导体衬底的所述有源区中形成第二导电类型扩散区，以通过所述离子注入阻止层与所述器件隔离膜分开。
所述聚合物可通过使用CF4气体蚀刻所述氮化膜而形成。所述聚合物厚度可为约200至约500。
被注入以形成所述离子注入阻止层的所述第一导电类型杂质离子可以是B离子或BF2离子。所述第一导电类型杂质离子可以被垂直地注入到所述器件隔离区中，以使形成在器件隔离膜附近区域中的离子注入阻止层底部比侧面厚。
所述方法还包括以下步骤：在所述沟道的表面中形成氧化膜；以及在所述第二导电类型扩散区上形成第一导电类型扩散区。
在本发明的另一方面中，一种用于制造CMOS图像传感器的方法，包括以下步骤：在包括有源区和器件隔离区的第一导电类型半导体衬底上顺序地形成氧化膜和氮化膜；选择性地蚀刻所述氮化膜和所述氧化膜，以暴露所述半导体衬底的所述器件隔离区；在所述氮化膜和氧化膜的侧边形成隔离物；使用所述氮化膜和所述隔离物作为掩模，在所暴露的半导体衬底的表面上形成沟道；去除所述隔离物；在所述半导体衬底的表面中形成离子注入阻止层，其中使用所述氮化膜和所述氧化膜作为掩模，通过将第一导电类型杂质离子注入到所述半导体衬底的所述整个表面中来形成沟道；在所述沟道中形成器件隔离膜；去除所述氮化膜和所述氧化膜；以及在所述半导体衬底的所述有源区中形成第二导电类型扩散区，以通过所述离子注入阻止层与所述器件隔离膜分开固定的间隔。
形成隔离物的步骤包括：在包括所述氮化膜的半导体衬底的整个表面上形成氧化绝缘膜；以及深蚀刻所述氧化绝缘膜，以形成所述隔离物。
被注入以形成所述离子注入阻止层的所述第一导电类型杂质离子可以是B离子或BF2离子。所述第一导电类型杂质离子可以被垂直地注入到所述器件隔离区中，使得形成在器件隔离膜的附近区域中的离子注入阻止层的底部比侧面厚。
所述方法还包括以下步骤：在所述沟道的表面中形成氧化膜；以及在所述第二导电类型扩散区上形成第一导电类型扩散区。
应该理解，以上对本发明的一般性描述和以下的详细描述都是示例性的和说明性质的，目的在于对要求保护的本发明提供进一步的说明。
附图说明
附图构成本说明书的一部分，有助于进一步理解本发明，这些附图示出了本发明的一些实施例，并可与说明书一起用来说明本发明的原理。附图中：
图1是示出了3T型CMOS图像传感器的单位像素的布局图；
图2是沿图1中线II-II的剖视图，示出了常规CMOS图像传感器的单位像素；
图3是对应于图2的剖视图，示出了根据本发明的CMOS图像传感器的单位像素；
图4A到图4H是示出了根据本发明的第一实施例的用于制造CMOS图像传感器的方法的剖视图；以及
图5A到图5G是示出了根据本发明的第二实施例的用于制造CMOS图像传感器的方法的剖视图。
具体实施方式
以下将详细参照本发明的实施例，其实例在附图中示出。尽可能地，在所有附图中使用相同的附图标号表示相同或相似的部件。
图3是对应于图2的剖视图，示出了根据本发明的CMOS图像传感器的单位像素。参照图3，在P++型半导体衬底200上形成P-型外延层(P-EPI)201，以及在半导体衬底200的器件隔离区中形成器件隔离膜220，即浅沟道隔离(STI)膜。通过在外延层和栅极之间置入栅极绝缘膜221，在一部分的外延层201之上形成栅极223。在栅极223的两侧形成绝缘隔离物225。在外延层201上的光电二极管区PD中形成N-型扩散区231。
另外，在半导体衬底200处于栅极223的一侧的表面上形成源极和漏极区S/D。源极和漏极区S/D成为重掺N型扩散区(N+)226和轻掺N型扩散区(N-)224。
然后在器件隔离膜220的一侧形成自对准离子注入阻止层210，以防止在器件隔离膜220与N-型扩散区231之间的边界部分产生暗电流。换句话说，在器件隔离膜220的该侧形成离子注入阻止层210，从而防止当形成光电二极管区时N-型离子注入到器件隔离膜220与N-型扩散区231之间的边界部分中。
由于通过N-型杂质离子注入形成P++型半导体衬底200和形成光电二极管区，所以离子注入阻止层210可通过将P型杂质离子注入到器件隔离膜220附近区域中而形成。B离子或BF2离子可用作杂质离子，以形成离子注入阻止层210。
图4A到图4H是示出了根据本发明的第一实施例的用于制造CMOS图像传感器的方法的剖视图。
下面将根据用于在半导体衬底中形成器件隔离膜和光电二极管区的方法来描述根据本发明的第一实施例的CMOS图像传感器的制造方法。
如图4A所示，通过外延处理在第一导电类型(P++型)重掺单晶硅的半导体衬底200上形成第一导电类型(P-型)轻掺外延层201。
可形成外延层201，以通过在光电二极管中形成耗尽区来提高低压光电二极管收集光电荷的能力。
接下来，在包括外延层201的半导体衬底200上形成氧化膜202，然后在氧化膜202上形成氮化膜203。然后，在氮化膜203上涂覆光刻胶204，并通过曝光和显影处理来形成图样，以限定器件隔离区。
如图4B所示，使用形成图样的光刻胶204作为掩模来选择性地蚀刻氮化膜203和氧化膜202，以暴露半导体衬底200的表面。此时，使用CF4气体蚀刻氮化膜203，以在氮化膜203和氧化膜202的侧边产生聚合物205。聚合物205可以具有200至500的厚度。
如图4C所示，使用形成图样的光刻胶204和聚合物205作为掩模，选择性地蚀刻暴露的半导体衬底200，以形成从半导体衬底200的表面往下具有预定深度的沟道206。沟道206形成在聚合物205之间。
如图4D所示，去除光刻胶204和聚合物205。然后，如图4E所示，使用氮化膜203和氧化膜202作为掩模，将B离子或BF2离子垂直地注入到半导体衬底200的整个表面中，以在半导体衬底200表面中形成沟道206的地方形成离子注入阻止层210。
因为B离子或BF2离子是垂直地注入的，所以在器件隔离膜附近区域中形成的离子注入阻止层210的底部比侧面厚。
在半导体器件200的表面中形成的离子注入阻止层210取决于沟道206的形状而在沟道206附近区域中自对准。
在该实施例中，在将B离子或BF2离子垂直地注入到半导体衬底的表面中之前，可在沟道206的表面上形成氧化膜(未示出)，以在杂质离子注入过程中用作缓冲层。这样，用作缓冲层的氧化膜防止半导体衬底200被损坏。此外，可将器件隔离膜的角部变圆，以减少泄漏电流。
如图4F所示，可在包括沟道206的半导体衬底200的整个表面上沉积旋涂玻璃(SOG)型或不掺杂硅玻璃(USG)型的绝缘膜。接下来，通过在半导体器件的整个表面上执行化学机械抛光(CMP)处理或深蚀刻(etch-back)处理，在沟道206中形成器件隔离膜219。
如图4G所示，去除氮化膜203和氧化膜202，然后执行清洁和平坦化处理，以形成设置于沟道206中的器件隔离膜220。
接下来，如图4H所示，在半导体衬底200上涂覆光刻胶(未示出)，然后通过曝光和显影处理形成图样，以暴露光电二极管区。使用形成图样的光刻胶作为掩模，将N-型杂质离子注入到半导体衬底200中，以在光电二极管区中形成N-型扩散区231。
当通过上述的程序形成N-型扩散区231时，在N-型扩散区231与器件隔离膜220之间形成离子注入阻止层210。由此，可减少N-型扩散区231与器件隔离膜220之间的边界部分中所产生的暗电流。
尽管图中未示出，但每个栅极可通过在形成N-型扩散区231之前置入栅极绝缘膜，而形成于半导体衬底200的有源区中。
此外，还可在N-型扩散区231上形成P°型扩散区(未示出)，以减少半导体衬底200的表面与光电二极管区之间所产生的暗电流。
在本发明的第一实施例中，尽管是使用CF4气体蚀刻氮化膜203以形成聚合物205，但如参照图5A到图5G所更详细描述的那样，可通过在已蚀刻的氮化膜和已蚀刻的氧化膜中形成氧化绝缘膜之后进行的深蚀刻处理，来在已蚀刻的氮化膜和已蚀刻的氧化膜的侧边形成隔离物，这些附图示出了根据本发明的第二实施例的用于制造CMOS图像传感器的方法。
如图5A所示，通过外延处理在第一导电类型(P++型)重掺单晶硅的半导体衬底200上形成第一导电类型(P-型)轻掺外延层201。
较深地形成外延层201，以通过在光电二极管中较深地形成耗尽区来提高低压光电二极管收集光电荷的能力。
接下来，在包括外延层201的半导体衬底200上形成氧化膜202，以及在氧化膜202上形成氮化膜203。然后，在氮化膜203上涂覆光刻胶204，并通过曝光和显影过程来形成图样，以限定器件隔离区。使用形成图样的光刻胶204作为掩模选择性地蚀刻氮化膜203和氧化膜202，以暴露半导体衬底200的表面。
如图5B所示，去除光刻胶204，以及在半导体衬底200的整个表面上形成氧化绝缘膜。然后，通过深蚀刻处理在选择性地去除氮化膜和氧化膜的侧边处形成隔离物208。
如图5C所示，使用氮化膜203和隔离物208作为掩模，选择性地蚀刻暴露的半导体衬底200，以形成从半导体衬底200的表面往下具有预定深度的沟道206。
如图5D所示，在去除隔离物208之后，使用氮化膜203和氧化膜202作为掩模，将B离子或BF2离子垂直地注入到半导体衬底200的整个表面中，以在半导体衬底200表面中沟道206处形成离子注入阻止层210。
在第二实施例中，在形成离子注入阻止层210之后的步骤与第一实施例相同。
在器件隔离膜的附近区域中形成离子注入阻止层，以阻止用于光电二极管的杂质离子注入到光电二极管区与器件隔离膜之间的边界部分中。因此，可使光电二极管区与器件隔离膜之间的边界部分中所产生的暗电流最小化，由此改善CMOS图像传感器的操作可靠性。
另外，由于用于离子注入阻止层的杂质离子是垂直地注入到半导体衬底中，所以它们较深地注入到沟道之下。从而，可避免干扰。
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、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (19)
1.一种CMOS图像传感器，包括：
第一导电类型半导体衬底，包括有源区和器件隔离区；
器件隔离膜，形成于所述半导体衬底的所述器件隔离区中；
第二导电类型扩散区，形成于所述半导体衬底的所述有源区中；以及
离子注入阻止层，形成于所述器件隔离膜的区域中，所述区域包括所述器件隔离膜与所述第二导电类型扩散区之间的边界部分。
2.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中所述器件隔离膜是浅沟道隔离膜。
3.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中所述离子注入阻止层是通过将第一导电类型杂质离子注入到所述器件隔离区中形成的。
4.根据权利要求3所述的CMOS图像传感器，其中所述第一导电类型杂质离子是B离子和BF2离子中的至少一种。
5.根据权利要求3所述的CMOS图像传感器，其中所述第一导电类型杂质离子被垂直地注入到所述器件隔离区中，以使所述离子注入阻止层的底部比侧面厚。
6.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，还包括第一导电类型外延层，其生长于所述第一导电类型半导体衬底上。
7.一种用于制造CMOS图像传感器的方法，包括以下步骤：
在包括有源区和器件隔离区的第一导电类型半导体衬底上顺序地形成氧化膜和氮化膜；
使用掩模层选择性地蚀刻所述氮化膜和所述氧化膜，以暴露所述半导体衬底的所述器件隔离区，并在所蚀刻的氮化膜和氧化膜的侧边形成聚合物；
使用所述掩模层和所述聚合物作为掩模，在所述暴露的半导体衬底的表面上形成沟道；
去除所述掩模层和所述聚合物；
在所述半导体衬底的表面中形成离子注入阻止层，其中使用所述氮化膜和所述氧化膜作为掩模，通过将第一导电类型杂质离子注入到所述半导体衬底的所述表面中来形成所述沟道；
在所述沟道中形成器件隔离膜；
去除所述氮化膜和所述氧化膜；以及
在所述半导体衬底的所述有源区中形成第二导电类型扩散区，以通过所述离子注入阻止层与所述器件隔离膜隔开。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述聚合物是通过使用CF4气体蚀刻所述氮化膜而形成的。
9.根据权利要求7所述的方法，其中所述聚合物具有约200至约500的厚度。
10.根据权利要求7所述的方法，其中被注入以形成所述离子注入阻止层的所述第一导电类型杂质离子是B离子或BF2离子中的至少一种。
11.根据权利要求7所述的方法，其中所述第一导电类型杂质离子被垂直地注入到所述器件隔离区中，以使形成的所述离子注入阻止层的底部比侧面厚。
12.根据权利要求7所述的方法，还包括在所述沟道的表面中形成氧化膜。
13.根据权利要求7所述的方法，还包括在所述第二导电类型扩散区上形成第一导电类型扩散区。
14.一种用于制造CMOS图像传感器的方法，包括以下步骤：
在包括有源区和器件隔离区的第一导电类型半导体衬底上顺序地形成氧化膜和氮化膜；
选择性地蚀刻所述氮化膜和所述氧化膜，以暴露所述半导体衬底的所述器件隔离区；
在所述氮化膜和氧化膜的侧边形成隔离物；
使用所述氮化膜和所述隔离物作为掩模，在所述暴露的半导体衬底的表面上形成沟道；
去除所述隔离物；
在所述半导体衬底的表面中形成离子注入阻止层，其中使用所述氮化膜和所述氧化膜作为掩模，通过将第一导电类型杂质离子注入到所述半导体衬底的所述表面中来形成所述沟道；
在所述沟道中形成器件隔离膜；
去除所述氮化膜和所述氧化膜；以及
在所述半导体衬底的所述有源区中形成第二导电类型扩散区，以通过所述离子注入阻止层与所述器件隔离膜隔开。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述形成隔离物的步骤包括：
在包括所述氮化膜的所述半导体衬底的表面上形成氧化绝缘膜；以及
深蚀刻所述氧化绝缘膜，以形成所述隔离物。
16.根据权利要求14所述的方法，其中被注入以形成所述离子注入阻止层的所述第一导电类型杂质离子是B离子和BF2离子中的至少一种。
17.根据权利要求14所述的方法，其中所述第一导电类型杂质离子被垂直地注入到所述器件隔离区中，以使形成的所述离子注入阻止层的底部比侧面厚。
18.根据权利要求14所述的方法，还包括在所述沟道的表面中形成氧化膜。
19.根据权利要求14所述的方法，还包括在所述第二导电类型扩散区上形成第一导电类型扩散区。
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