CN1819237A - Cmos图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
公开了一种CMOS图像传感器及其制造方法，其中，在外延层的表面中形成沟槽，在所述沟槽中形成传送晶体管以同时减少死区和暗电流。CMOS图像传感器包括由光电二极管区以及晶体管区限定的第一导电型半导体基板，在半导体基板中形成的与所述晶体管区的传送晶体管对应的沟槽，所述传送晶体管的栅电极，形成在所述沟槽中，在光电二极管区的半导体基板中形成的第二导电型杂质离子区，以及在第二导电型杂质离子区的表面上形成的第一导电型杂质离子区。
Description
此申请要求2004年12月29日提交的申请号P2004-114785的韩国专利申请的优先权，其如同完整地在这里被陈述一样被结合在这里以供参考。
技术领域
本发明涉及互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器及其制造方法，并且更具体地涉及CMOS图像传感器及其制造方法，其中死区和暗电流同时被减少。
背景技术
一般地，图像传感器是一种用于将光图像转换成电信号的半导体装置。该图像传感器被分类成电荷耦合装置(CCD)以及CMOS图像传感器。
所述CCD由于复杂的驱动模式，高功率消耗，以及多阶段光刻过程而在其制造过程中有缺点。另外，难于将控制电路，信号处理电路以及模拟到数字转换器集成到CCD的芯片中。这就不能获得所述产品的小尺寸。
最近，CMOS图像传感器作为用于下一代的图像传感器以克服所述CCD的缺点已经受到了很多关注。
所述CMOS图像传感器采用切换模式，其通过使用CMOS技术形成半导体基板上的单位像素数量的MOS晶体管而使用MOS晶体管顺序地检测单位像素的输出，所述CMOS技术用控制电路，信号处理电路作为外围电路。
所述CMOS图像传感器的优点在于功率消耗由于CMOS技术而为低，以及制造过程由于相对小数量的光刻过程步骤而为简单。另外，由于CMOS图像传感器允许控制电路，信号处理电路以及模拟到数字转换器被集成在其芯片中，其具有优点在于可以得到缩小尺寸化的产品。因此，CMOS图像传感器被广泛地用于各种应用领域如数字照相机以及数字摄像机。
一般的CMOS图像传感器将参考图1和2而被描述。图1是一布局图，示出包括四个晶体管的4T型CMOS图像传感器的单位像素，以及图2是等效电路图，示出图1所示的CMOS图像传感器的单位像素。
在4T型CMOS图像传感器的单位像素，如图1和2中所示，光电二极管20被形成在有源区10的宽部分中，而四个晶体管的栅电极110，120，130，以及140被形成为分别重叠有源区10的其他部分。换句话说，传送晶体管Tx，复位晶体管Rx，驱动晶体管Dx以及选择晶体管Sx分别由栅电极110，120，130以及140形成。
杂质离子被注入除栅电极110，120，130以及140之下的部分之外的每个晶体管的有源区10，形成每个晶体管的源和漏区。因此，功率电压Vdd被施加到复位晶体管Rx以及驱动晶体管Dx之间的源和漏区，以及功率电压Vss被施加到选择晶体管Sx的一侧处的源和漏区。
传送晶体管Tx将光电二极管产生的光电荷传送到浮动扩散(FD)层。复位晶体管Rx控制和复位所述浮动扩散层的电势。驱动晶体管Dx充当源跟随器。选择晶体管Sx充当切换晶体管以读取单位像素的信号。
一种用于制造上面提到的相关技术CMOS图像传感器的方法将参照图3A到图3G而被描述。图3A到图3G是沿着图1中所示的CMOS图像传感器的单位像素的线I-I’而取的截面图。
首先，如图3A所示，轻掺杂的P型(P-)外延层2被使用掩模形成在由有源区和器件隔离区所限定的P型半导体基板1上。随后，所述轻掺杂的P型外延层2通过使用掩模的暴露和显影过程被蚀刻到预定的深度以形成沟槽。氧化物膜被形成在外延层2上。所述沟槽通过化学机械抛光(CMP)过程被填充以氧化物膜，以在器件隔离区中形成器件隔离膜3。
杂质离子被注入与所述有源区对应的外延层2的表面中以形成P型杂质离子区4。P型杂质离子区4被用于控制传送晶体管的沟道区中的阈值电压以及用于钉扎(pin)所述光电二极管中的表面电压。
如图3B中所示，栅绝缘膜以及导电层被顺序地形成在基板的整个表面上，并且随后被选择性地干蚀刻以形成包括传送晶体管的晶体管的栅绝缘膜5和栅电极6。
如图3C中所示，光刻胶(PR)膜被涂敷在整个表面上，以及随后通过暴露和显影过程被去除以形成暴露所述光电二极管的光刻胶图案7。换句话说，光刻胶图案7被形成以部分地覆盖与器件隔离膜3相邻的有源区以及部分地暴露栅电极6。N型杂质离子通过高能离子注入被注入所暴露的光电二极管的外延层2中，以形成该光电二极管的N型杂质离子区8。光刻胶图案7随后被去除。
如图3D中所示，在N型杂质离子区8被形成的状态下，光刻胶图案9被形成以暴露该光电二极管。之后，P型杂质离子被注入N型杂质离子区8的表面以形成光电二极管的第二P型杂质离子区10。第二P型杂质离子区10可以如下而形成。
换句话说，如图3E中所示，在N型杂质离子区8被形成的状态下，绝缘膜被沉积在整个表面上并且随后被回蚀刻以在栅电极6以及暴露光电二极管的光刻胶图案9的侧处形成绝缘膜间隔物11。随后，P型杂质离子被注入N型杂质离子区8的表面以形成第二P型杂质离子区10。
如图3F中所示，光刻胶图案9被去除之后，通过使用掩模将N型杂质离子大量地注入栅电极6的一侧的漏区而形成每个晶体管的源和漏区(浮动扩散层)12。
之后，尽管未示出，滤色器层以及微透镜被形成。因此，CMOS图像传感器被制造完成。
在上面提到的相关技术CMOS图像传感器中，所述光电二极管将光信号转换成电信号，以产生光电荷。所产生的光电荷移动到浮动扩散层以在传送晶体管Tx被接通的情况下门控晶体管Dx。但是，如图3D中所示，如果P型杂质离子在所述间隔物被形成之前被注入，间隔物之下的所述外延层被钉扎。在此情形中，暗电流的特性被改进但是P型杂质离子掺杂水平增加了。随着P型杂质离子掺杂水平增加，传送晶体管的源区的势垒增加，从而降低了光电荷的传送效率。因此，问题发生在于死区被形成，其中在光进入传感器之后的某时间段没有信号被产生。
另外，如图3F中所示，如果在栅电极的侧壁处形成间隔物之后P型杂质离子被注入，光电荷的传送效率被提高。但是，在用于形成所述间隔物的干蚀刻过程期间光电二极管的表面被损坏，从而增加了暗电流。
发明内容
因此，本发明指向CMOS图像传感器及其制造方法，其充分消除了可由于相关技术的限制和缺点所导致的一个或者多个问题。
本发明的一个目的是提供CMOS图像传感器及其制造方法，其中沟槽被形成在外延层的表面中，以及传送晶体管被形成在所述沟槽中以同时减少死区和暗电流。
本发明的其他优点，目的，以及特征将部分地在后面的描述中被说明，并且对于本专业技术人员在下面的考察期间将部分地变得明显或者可以从本发明的实践学到。本发明的目标以及其他优点将通过所写的说明书及其权利要求中以及附图中所特别指出的该结构而实现和达到。
为了获得根据本发明用途的这些目的以及其他优点，如这里所采用以及广泛描述的，根据本发明的CMOS图像传感器包括由光电二极管区以及晶体管区限定的第一导电型半导体基板，形成在半导体基板中与所述晶体管区的传送晶体管对应的沟槽，所述传送晶体管的栅电极形成在所述沟槽中，第二导电型杂质离子区，形成在光电二极管区的半导体基板中，以及第一导电型杂质离子区，形成在第二导电型杂质离子区的表面上。
CMOS图像传感器还包括多个栅电极，形成在半导体基板上除传送晶体管的晶体管区之外的晶体管区上，以及源和漏杂质离子区，形成在各栅电极之间的半导体基板中。
CMOS图像传感器还包括杂质离子注入区，用于控制阈值，形成在每个晶体管的栅电极之下的半导体基板上。
CMOS图像传感器还包括形成在每个栅电极的侧壁处的间隔物，并且第一导电型杂质离子区被延伸到所述间隔物之下的部分。
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在由光电二极管区以及晶体管区限定的第一导电型半导体基板的整个表面上形成第一绝缘膜，选择性地去除在用于传送晶体管的晶体管区上的第一绝缘膜，在半导体基板中形成的与第一绝缘膜被去除的部分对应的沟槽，在所述沟槽之下形成用于控制传送晶体管的阈值电压的杂质离子注入区，以及在所述沟槽中形成传送晶体管的栅绝缘膜和栅电极。
该方法还包括在形成用于控制阈值电压的杂质离子注入区之前在所述沟槽内形成氧化物膜，以及在形成栅绝缘膜之前去除氧化物膜。
该方法还包括在半导体基板的整个表面上沉积第二绝缘膜，以及去除传送晶体管外的晶体管区上的第一和第二绝缘膜，在第一和第二绝缘膜被去除的半导体基板上形成多个栅绝缘膜和多个栅电极，以及去除全部第一和第二绝缘膜。
该方法还包括在形成第一绝缘膜之前在半导体基板的除传送晶体管之外的晶体管区上形成用于控制阈值电压的杂质离子注入区，以及在每个栅电极的侧壁处形成间隔物。
该方法还包括在光电区的半导体基板中形成第二导电型杂质离子区，在第二导电型杂质离子区的表面上形成第一导电型杂质离子区，以及在各栅电极之间的半导体基板中形成源和漏杂质离子区。
需要理解的是，本发明的前面的一般描述以及后面的详细描述两者都是示范性的和解释性的并且目的在于提供如权利要求的本发明的进一步的解释。
附图说明
附图被包括以提供本发明的进一步理解，并且被结合在这里并构成本申请的一部分，图示了本发明的实施例，与本说明书一起用于解释本发明的原理。在该图中：
图1是一布局图，示出包括四个晶体管的4T型CMOS图像传感器的单位像素。
图2是等效电路图，示出图1所示的CMOS图像传感器的单位像素。
图3A到图3F是图示用于制造相关技术CMOS图像传感器的方法的截面图；以及
图4A到图4M是图示根据本发明优选实施例的用于制造CMOS图像传感器的方法的截面图。
具体实施方式
现在将对本发明的优选实施例作出详细参考，其实例在附图中表示。只要有可能，附图中将使用相同参考号指代相同或者类似的部分。
图4A到图4M是图示根据本发明优选实施例的用于制造CMOS图像传感器的方法的截面图。
如图4A中所示，轻掺杂的P型(P-)外延层32被使用掩模形成在由有源区和器件隔离区所限定的P型半导体基板31上。随后，器件隔离区的所述轻掺杂的P型外延层32被使用掩模图案蚀刻到预定的深度以形成沟槽。氧化物膜被形成在所述基板上，使所述沟槽被填充以氧化物膜。氧化物膜通过化学机械抛光(CMP)过程被图案化以保留在沟槽内，使器件隔离膜33被形成在器件隔离区中。
用于控制阈值电压的杂质离子区34被形成在从有源区的外延层32排除光电二极管区以及传送晶体管区的复位晶体管区中。
如图4B中所示，第一栅绝缘膜35，如氧化物膜或者氮化物膜被形成在外延层32的整个表面上。
如图4C中所示，使用掩模以及蚀刻过程选择性地去除传送晶体管区上的第一栅绝缘膜35。随后，与第一绝缘膜35被去除的部分对应的外延层32被以预定的深度蚀刻，以形成沟槽36。
如图4D中所示，用于控制传送晶体管的阈值电压的杂质离子区38被使用掩模以及杂质离子注入过程形成在沟槽36的外延层32中。优选地，氧化物膜37被形成在沟槽36内以恢复沟槽的被损坏的晶格，以及在杂质离子注入期间保护外延层32的表面，用于控制传送晶体管的阈值电压。
如图4E中所示，氧化物膜37被去除，以及栅绝缘膜39被形成在沟槽36内。多晶硅的导电层40被沉积在基板的整个表面上，使沟槽38被填充以导电层40。
如图4F中所示，导电层40通过CMP过程被平坦化以暴露第一绝缘膜35的表面，使传送晶体管的栅电极40a形成在沟槽36中。
如图4G中所示，第二绝缘膜41，如氧化物膜或者氮化物膜被沉积在包括栅电极40a的第一绝缘膜35的整个表面上。
如图4H中所示，对应于用于除传送晶体管之外的复位晶体管，驱动晶体管以及选择晶体管的用于栅电极的部分的第一和第二绝缘膜35和41被选择性地去除。用于复位晶体管的栅电极的部分在图4H中示出。
如图4I中所示，栅绝缘膜42被形成在第一和第二绝缘膜35和41被去除的外延层32的表面上。导电层，如多晶硅被厚沉积在栅绝缘膜42的整个表面上并且随后通过CMP过程被平坦化以暴露栅绝缘膜42的表面，使包括复位晶体管的每个晶体管的栅电极40b被形成。
如图4J中所示，第一和第二绝缘膜35和41通过湿蚀刻过程被全部去除。
如图4K中所示，光刻胶膜43被涂敷在整个表面上，且随后通过暴露和显影过程被图案化以暴露所述光电二极管区。换句话说，光刻胶图案43被形成以部分地覆盖与器件隔离膜33相邻的有源区以及部分地暴露传送晶体管的栅电极40a。之后，N型杂质离子通过高能离子注入被注入所述暴露的光电二极管区的外延层32中，以形成该光电二极管区的N型杂质离子区44。
如图4L中所示，光刻胶图案43被去除之后，光刻胶膜45被涂敷在整个表面上，以及随后通过暴露和显影过程被图案化以暴露所述光电二极管区。使用图案化的光刻胶膜45作为掩模将P型杂质离子注入N型杂质离子区39的表面以形成光电二极管区的P型杂质离子区46。
如图4M中所示，绝缘膜被沉积在整个表面上，且随后通过各向异性过程被去除以在栅电极40a和40b的每个的侧壁处形成间隔物47。随后，使用栅电极40a和40b以及间隔物47作为掩模将N型杂质离子注入在栅电极40a和40b之间的有源区中。因此，每个晶体管的浮动扩散区以及源和漏杂质离子区48a和48b被形成。
之后，尽管未示出，滤色器层以及微透镜被形成。由此，CMOS图像传感器被制造完成。
在如上根据本发明制造的上面提到的CMOS图像传感器中，在沟槽被形成在外延层的表面中之后，传送晶体管的栅电极被形成在所述沟槽中。因此，P型杂质离子区被延伸到传送晶体管的栅电极的间隔物之下的部分。在此情形中，有可能去除存在于外延层的表面中的悬挂键，从而减少暗电流。
另外，由于光电二极管区的P型杂质离子区高于传送晶体管的沟道区，传送晶体管的源区中的势垒不增加。在此情形中，由于光电荷的传送效率能够被提高，有可能减小死区。
对于该领域技术人员来说很明显可以在不脱离本发明的精神或者范围的情况下在本发明中进行各种修改和变化。因此，本发明的目的是覆盖落在所附的权利要求以及它们的等价物的范围内的本发明的修改和变化。
Claims (11)
1.一种CMOS图像传感器，包括：
第一导电型半导体基板，由光电二极管区以及晶体管区限定；
沟槽，其形成在半导体基板中，与所述晶体管区的传送晶体管对应；
所述传送晶体管的栅电极，形成在所述沟槽中；
第二导电型杂质离子区，形成在光电二极管区的半导体基板中；以及
第一导电型杂质离子区，形成在第二导电型杂质离子区的表面上。
2.如权利要求1的CMOS图像传感器，还包括多个栅电极，其形成在除传送晶体管的晶体管区之外的晶体管区的半导体基板上，以及源和漏杂质离子区，其形成在各栅电极之间的半导体基板中。
3.如权利要求2的CMOS图像传感器，还包括杂质离子注入区，用于控制阈值，其形成在每个晶体管的栅电极之下的半导体基板上。
4.如权利要求1的CMOS图像传感器，还包括形成在每个栅电极的侧壁处的间隔物。
5.如权利要求4的CMOS图像传感器，其中第一导电型杂质离子区被延伸到所述间隔物之下的部分。
6.一种用于制造CMOS图像传感器的方法，包括：
在由光电二极管区以及晶体管区限定的第一导电型半导体基板的整个表面上形成第一绝缘膜；
选择性地去除在用于传送晶体管的晶体管区上的第一绝缘膜；
在半导体基板中形成与第一绝缘膜被去除的部分对应的沟槽；
在所述沟槽之下形成用于控制传送晶体管的阈值电压的杂质离子注入区；以及
在所述沟槽中形成传送晶体管的栅绝缘膜和栅电极。
7.如权利要求6的方法，还包括在形成用于控制阈值电压的杂质离子注入区之前在所述沟槽内形成氧化物膜，以及在形成栅绝缘膜之前去除该氧化物膜。
8.如权利要求6的方法，还包括在半导体基板的整个表面上沉积第二绝缘膜，以及去除除传送晶体管之外的晶体管区上的第一和第二绝缘膜，在去除第一和第二绝缘膜的半导体基板上形成多个栅绝缘膜和多个栅电极，以及去除所有第一和第二绝缘膜。
9.如权利要求8的方法，还包括在形成第一绝缘膜之前在除传送晶体管之外的晶体管区的半导体基板上形成用于控制阈值电压的杂质离子注入区。
10.如权利要求8的方法，还包括在每个栅电极的侧壁处形成间隔物。
11.如权利要求8的方法，还包括在光电二极管区的半导体基板中形成第二导电型杂质离子区，在第二导电型杂质离子区的表面上形成第一导电型杂质离子区，以及在各栅电极之间的半导体基板中形成源和漏杂质离子区。
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