CN1819234A - 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，其中，CMOS图像传感器具有在光电二极管和隔离层之间的边界区域上的最小的暗电流。本发明包括：第一导电型掺杂区，形成在衬底的器件隔离区中，该第一导电型掺杂区围绕隔离区；以及介电层，形成在隔离层和第一导电型掺杂区之间，其中，第一导电型掺杂区和介电层位于隔离层和第二导电型扩散区之间。
Description
相关申请及其交叉参考
本申请要求于2004年12月28日提交的韩国专利申请第P2004-113801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CMOS图像传感器，并且更特别地，涉及改进的CMOS图像传感器及其制造方法，其中可以防止产生暗电流。
背景技术
通常，图像传感器是将光学图像转换成电信号的半导体器件。图像传感器主要被分成电荷耦合器件图像传感器(以下简写为“CCD”)以及互补金属氧化物半导体(以下简写为“CMOS”)。
CCD包括以矩阵形式排列的多个光电二极管(PD)、在多个光电二极管之间沿垂直方向设置的多个垂直电荷耦合器件(VCCD)、水平电荷耦合器件(HCCD)、以及读出放大器。通过输出由VCCD沿垂直方向传输的电荷，光电二极管将光信号转换成电信号。随后，由HCCD沿水平方向传输由每个VCCD传输的电荷。最后，通过读出放大器读出水平方向上的这些电荷，该读出放大器依次输出电信号。
上述配置的CCD具有复杂的驱动机构，它们需要相当大的功耗，并且它们需要具有大量光学处理的复杂的制造过程。此外，当尝试减小产品的尺寸时，使用上述配置的CCD是很不利的，这是因为很难将控制电路、信号处理电路、模/数转换电路(A/D转换器)等集成在CCD芯片上。
最近，焦点已经转向了作为下一代图像传感器的CMOS图像传感器，这是因为它们克服了CCD的缺点。CMOS图像传感器采用切换方法，用于通过MOS晶体管顺序地检测每一个单位像素的输出。在半导体衬底上形成MOS晶体管。每个MOS晶体管对应单位像素。此外，控制电路、信号处理电路等被用作外围电路。在单位像素中具有光电二极管和MOS晶体管的CMOS图像传感器通过根据切换方法顺序地检测每个单位像素的电信号来形成图像。
CMOS图像传感器是有优势的，这是因为其低功耗，以及因为其需要简单的具有少量光学处理步骤的制造过程。此外，可将控制电路、信号处理电路、模/数转换电路等集成在CMOS传感器芯片上，因此利于产品的小型化。由此，CMOS图像传感器可被广泛地用于诸如数字照相机、数字摄像机等不同的应用。
根据晶体管的数量将CMOS图像传感器分成3-T型、4-T型、5-T型等。3-T型CMOS图像传感器包括一个光电二极管和三个晶体管。以及4-T型CMOS图像传感器包括一个光电二极管和四个晶体管。
图1是普通的3-T型CMOS传感器的单位像素的布局图。
参照图1，在普通的3-T型CMOS图像传感器的单位像素中，限定有源区10。在有源区10的较宽部分上形成光电二极管20。形成三个晶体管的栅电极120、130、和140以重叠剩余的有源区10。三个晶体管(即，复位、激励以及选择晶体管Rx、Dx和Sx)分别配置有栅电极120、130、和140。将杂质离子注入有源区10，但是不注入栅电极120、130、和140的下面。杂质离子形成三个晶体管中的每个的源/漏区。此后，电源电压Vdd施加到复位和激励晶体管Rx和Dx之间的源/漏区，而选择晶体管Sx的源/漏区与读出电路(图中未示出)连接。
栅电极120、130、和140中的每一个与对应的信号线(图中未示出)连接。每一条对应的信号线在其一端上设置有衬垫(pad)，从而其可与外部驱动电路连接。
图2是图1中根据现有技术的3T型CMOS图像传感器沿线II-II’的横截面图，示出了光电二极管和复位晶体管。
如图2所示，在P++型半导体衬底100上形成P-型EPI层101。半导体衬底100是由有源区(图1中的10)和器件隔离区限定的。在器件隔离区中形成隔离层103。
在EPI层101上形成栅极氧化物121。随后在栅极氧化物121上形成栅极123，由此形成复位晶体管。在栅极123的两个侧壁上形成绝缘隔离物125。
在对应光电二极管(PD)的EPI层中顺序地形成N-型扩散区131和P°型扩散区132。在该实例中，在N-型扩散区131上形成P°型扩散区132。此外，形成高浓度n型扩散区(n+)和低浓度n型扩散区(n-)作为复位晶体管的源/漏区(S/D)。
上述结构的传统CMOS图像传感器具有导致暗电流增加的缺点，这造成了电荷存储能力的恶化以及由此导致的器件一般性能的恶化。
当没有光进入光电二极管时，暗电流是由从光电二极管传输到器件的其他区域的电子产生的。据报导，暗电流是由于不饱和键或分布在器件的邻近表面的区域、在绝缘层103和P°型扩散区132之间的边界区域、绝缘层103和N-型扩散区131之间的边界区域、P°型扩散区132和N-型扩散区131之间的边界区域、P°型扩散区132以及N-型扩散区131周围的缺陷而产生的。在低照明环境中，暗电流可导致诸如电荷存储能力恶化以及CMOS图像传感器性能普遍恶化的严重问题。
为了降低发生在器件的邻近表面区域的暗电流的影响，根据传统的CMOS图像传感器，P°型扩散区132形成在用于光电二极管的N-型扩散区131上。然而，这种CMOS图像传感器受到发生在绝缘层103和P°型扩散区132之间的边界区域以及绝缘层103和N-型扩散区131之间的边界区域的暗电流的严重影响。
此外，如图2所示，当在EPI层101上形成光刻胶图样作为离子注入掩模以形成用于光电二极管的N-型扩散区131和P°型扩散区132时，通过在光刻胶图样中形成的开口暴露对应光电二极管的整个有源区。当应用离子注入处理将杂质注入到暴露的有源区以形成N-型扩散区131和P°型扩散区132时，也将杂质注入到光电二极管的有源区131和132与绝缘层103之间的边界区域中。这些离子导致在光电二极管的有源区131和132与绝缘层103之间的边界区域的损害和缺陷。这些缺陷产生电子和空穴载流子，并且使电子重新结合。因此，光电二极管的漏电流增加并且增加了CMOS图像传感器的暗电流。
因此，由于很难阻止在光电二极管的有源区131和132与绝缘层103之间的边界区域产生的暗电流，所以对在传统CMOS图像传感器中的暗电流特性的改进受到了限制。
发明内容
本发明旨在提供一种CMOS图像传感器及其制造方法，其基本上消除了由于相关技术的局限性和缺陷而导致的一个或多个问题。
本发明的优点在于提供一种CMOS图像传感器及其制造方法，其通过在隔离层和有源区之间与光电二极管一起形成P+型区域和氧化层防止有源区的离子扩散到隔离层中并由此而不产生暗电流。
本发明的其他优点、目的和特征将作为说明书的一部分随后阐述，在本领域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。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为了实现这些和其它优点，并且根据本发明的目的，如本文中所体现和概括描述的，根据本发明的CMOS图像传感器包括：第一导电型半导体衬底，由有源区和器件隔离区限定；隔离层，形成在衬底的器件隔离区中；第二导电型扩散区，形成在衬底的有源区中；第一导电型掺杂区，形成在衬底的器件隔离区中，该第一导电型掺杂区围绕隔离区；以及介电层，形成在隔离层和第一导电型掺杂区之间，其中，第一导电型掺杂区和介电层位于隔离层和第二导电型扩散区之间。
在本发明的另一方面，根据本发明的CMOS图像传感器的制造方法包括以下的步骤：在由有源区和器件隔离区限定的第一导电型半导体衬底上方按顺序形成衬垫氧化层以及氮化物层；选择性地蚀刻氮化物层以形成开口，通过该开口暴露衬垫氧化层的一部分；使用被选择性蚀刻的氮化物层作为掩模，形成第一导电型掺杂区；在开口的侧壁上形成隔离物；使用蚀刻的氮化物层和隔离物作为掩模，选择性地蚀刻衬垫氧化层的暴露部分以及与此对应的衬底以形成沟道；在沟道中形成介电层；在介电层上形成隔离层以填充沟道；去除隔离物、氮化物层以及衬垫氧化层；以及在衬底的有源区中形成第二导电型扩散区，如此在第二导电型扩散区和隔离层之间是对应第一导电型掺杂区和介电层的空间。
应该了解，前面的概述以及后面的本发明的详述是示例性和说明性的，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
附图提供了对本发明的进一步的理解，其被并入并构成了本说明书的一部分，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CMOS图像传感器的单位像素的一般布局图；
图2是根据相关技术的3T型CMOS图像传感器的横截面图，示出了根据图1中线II-II’的光电二极管和复位晶体管；
图3是本发明的3T型CMOS图像传感器的横截面图，示出了根据图1中线II-II’的光电二极管和复位晶体管；以及图4a至4f是示出根据本发明的CMOS图像传感器的制造方法的过程的横截面图。
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。
图3是根据本发明实施例的3T型CMOS图像传感器的横截面图，示出了根据图1中线II-II’的光电二极管和复位晶体管。
参照图3，P-型EPI层201形成在由有源区(图1中的10)和器件隔离区限定的P++型半导体衬底200上。隔离层220形成在器件隔离区中。半导体衬底200的有源区是由光电二极管区和晶体管区限定的。
栅极氧化层221以及栅极223顺序地形成在EPI层201上以形成图1所示的复位晶体管。绝缘隔离物(spacer)225形成在栅极223的侧壁上。N-型扩散区231形成在对应光电二极管区的EPI层201的区域中。在EPI层201的表面中，在栅极223的旁边形成源/漏(图1的S/D)区，其中，源/漏区包括高浓度n型扩散区(n+)226和低浓度n型扩散区(n-)224。
根据本发明，P+型掺杂区210和热氧化层211形成在隔离层220和N-型扩散区231之间。P+型掺杂区210和热氧化层211防止在传统的CMOS图像传感器中存在的暗电流的问题，该传统的CMOS图像传感器具有与N-型扩散区直接连接的隔离层。当将N-型离子注入到半导体衬底中以形成光电二极管时，都位于隔离层220和N-型扩散区231之间的P+型掺杂区210和热氧化层211防止N-型离子渗透到隔离层220中。
P+型掺杂区210是通过将EPI层201掺杂硼(B)形成的。P+型掺杂区210的厚度可为2500-4000。热氧化层211是使用热氧化处理形成的。热氧化层211的厚度可为50-500。在热氧化处理过程中，P+型掺杂区210的硼(B)的径向扩散通过空隙注入而增加。在随后的阱(well)退火处理中，防止硼(B)渗透到光电二极管的N-型扩散区231中。
图4a至4f是示出了根据本发明的CMOS图像传感器的制造方法的处理的横截面图。
在下文中，将对本发明的方法进行详细地描述，并且集中描述在半导体衬底上形成隔离层和光电二极管区。
参照图4a，通过使用外延处理，在诸如高浓度第一导电型(P++型)单晶硅等的半导体衬底200上形成低浓度第一导电型(P-型)EPI层201。形成EPI层201以通过能够使形成的光电二极管的耗尽区宽且深来提高低电压光电二极管的光敏性和存储光电荷的能力。
在EPI层201上形成衬垫氧化层202。然后在衬垫氧化层202上形成氮化物层203。
通过蚀刻，选择性地去除氮化物层203以形成开口，通过该开口，暴露出衬垫氧化层202的一部分。
通过使用被选择性去除的氮化物层203作为掩模来掺杂高浓度P型离子杂质，在EPI层201表面的右下方形成P+型掺杂区210。B或BF2可作为高浓度P型离子。
参照图4b，在EPI层201的整个表面上，包括在选择性形成图样的氮化物层203的上方，形成介电层(图中未示出)。随后，深蚀刻(etchback)后来形成的介电层以在氮化物层203中的开口的侧壁上形成隔离物。
随后，使用氮化物层203和隔离物204作为掩模，选择性地蚀刻衬垫氧化物层202的暴露部分。
参照图4c，使用氮化物层203和隔离物204作为掩模，选择性地去除在其中形成有P+型掺杂区210的EPI层201以形成具有预定深度的沟道。在P+型掺杂区210中形成沟道205，使得整个沟道205被P+型掺杂区210包围。
参照图4d，通过热氧化处理，在沟道205中形成厚度为50-500的热氧化层206。可在大约800-1150℃执行热氧化处理。形成的热氧化层206与P+型掺杂区210直接接触。在热氧化处理期间，通过空隙注入，增加了在P+型掺杂区210中的B或BF2离子的径向扩散。由此，阱退火处理用于防止B或BF2渗透到用于形成光电二极管的N-型扩散区231中(如图4f所示)。
参照图4e，在热氧化物层206上形成隔离层220以填充沟道205。通过沉积SOG(旋涂玻璃)、USG(未掺杂的硅酸岩玻璃)、或TEOS型介电层，在包括沟道205的EPI层201的整个表面上形成隔离层220。其后，通过CMP(化学机械抛光)或回刻处理，去除沟道205内部以外的介电层。还通过清洁或平坦化处理去除隔离物204、氮化物层203以及衬垫氧化层202。
参照图4f，在整个EPI层201上涂抹光刻胶(图中未示出)并且将其形成图样之后，暴露出光电二极管区。随后，通过使用形成图样的光刻胶(图中未示出)作为掩模将N-型离子杂质注入到光电二极管区，在光电二极管区中形成N-型扩散区231。尽管在附图中未示出，在形成N-型扩散区231之前，使用传统的处理，在EPI层201的有源区上形成栅极氧化物和栅极。
通过远离位于P+型掺杂区210和热氧化层211之间的隔离层220形成N-型扩散区231，本发明的CMOS图像传感器基本上减少了否则可在光电二极管和隔离层220之间的边界区域上产生的暗电流。
还可在N-型扩散区231上形成P°型扩散区(图中未示出)。
此外，本发明提供了以下效果和优点。
首先，本发明通过在光电二极管和隔离层之间形成P+型掺杂区210和热氧化层211，最小化在光电二极管和隔离层之间的边界区域上的暗电流。
通过减小暗电流，本发明可消除由于暗电流而发生的缺陷并且改进了CMOS图像传感器的可靠性。
以上所述仅为本发明的实施例而已，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 (13)
1.一种CMOS图像传感器，包括：
第一导电型半导体衬底，由有源区和器件隔离区限定；
隔离层，形成在所述衬底的所述器件隔离区中；
第二导电型扩散区，形成在所述衬底的所述有源区中；
第一导电型掺杂区，形成在所述衬底的所述器件隔离区中，所述第一导电型掺杂区围绕所述隔离区；以及
介电层，形成在所述隔离层和所述第一导电型掺杂区之间，
其中，所述第一导电型掺杂区和所述介电层位于所述隔离层和所述第二导电型扩散区之间。
2.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中，所述介电层为热氧化层。
3.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中，所述介电层具有50-500的厚度。
4.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中，所述第一导电型掺杂区通过将B或BF2注入到所述器件隔离区中形成。
5.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中，所述第一导电型掺杂区具有2500-4000的厚度。
6.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中，所述第一导电型衬底包括：
高浓度第一导电型硅；以及
低浓度第一导电型外延层，形成在所述高浓度第一导电型硅上。
7.一种CMOS图像传感器的制造方法，包括以下步骤：
在由有源区和器件隔离区限定的第一导电型半导体衬底上方按顺序形成衬垫氧化层以及氮化物层；
选择性地蚀刻所述氮化物层以形成开口，通过所述开口暴露出所述衬垫氧化层的一部分；
使用所述被选择性蚀刻的氮化物层作为掩模，形成第一导电型掺杂区；
在所述开口的侧壁上形成隔离物；
使用所述蚀刻的氮化物层和所述隔离物作为掩模，选择性地蚀刻所述衬垫氧化层的暴露部分和下面的衬底以形成沟道；
在所述沟道中形成介电层；
在所述介电层上形成隔离层以填充所述沟道；
去除所述隔离物、所述氮化物层以及所述衬垫氧化层；以及
按照以下方式在所述衬底的所述有源区中形成第二导电型扩散区：在所述第二导电型扩散区和所述隔离层之间是对应所述第一导电型掺杂区和所述介电层的空间。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，在所述沟道中形成所述介电层的步骤包括以800-1150℃热氧化包括所述沟道的所述衬底的处理。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，形成的所述介电层具有50-500的厚度。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，通过将B或BF2注入到所述衬底的所述器件隔离区中，来形成所述第一导电型掺杂区。
11.根据权利要求7所述的方法，其中，将所述第一导电型掺杂区形成为具有2500-4000的厚度。
12.根据权利要求7所述的方法，其中，通过在所述衬底的整个表面上形成氮化物层并且对所述氮化物层进行回刻，来形成所述隔离物。
13.根据权利要求7所述的方法，其中，所述第一导电型衬底包括：
高浓度第一导电型硅；以及
低浓度第一导电型外延层，形成在所述高浓度第一导电型硅上。
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