CN1877818A - 制造cmos图像传感器的方法 - Google Patents
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Abstract
一种制造CMOS图像传感器的方法，该制造方法包括：在具有由光电二极管区和晶体管区限定的有源区的半导体衬底的晶体管区形成栅电极，一栅绝缘层插在所述晶体管区和栅电极之间；在栅电极一侧的晶体管区形成第一导电类型的第一杂质区；在栅电极两侧形成第一侧壁和第二侧壁；在栅电极一侧的晶体管区形成第一导电类型的第二杂质区；将光刻胶层涂布在半导体衬底上，并且通过曝光和显影工艺对该光刻胶层进行构图以覆盖晶体管区；使用构图的光刻胶作为掩模，在光电二极管区形成导电型的第三杂质区；使用构图的光刻胶层作为掩模，有选择地去除预定厚度在第二侧壁绝缘层和栅电极之间的第一侧壁绝缘层；通过在预定温度下回流构图的光刻胶层来覆盖栅电极；使用回流的光刻胶层作为掩模有选择地去除第二侧壁绝缘层；以及使用回流的光刻胶层作为掩模，在栅电极形成有第三杂质区的的一侧形成第一导电类型的第四杂质区。
Description
技术领域
本发明涉及一种制造CMOS图像传感器的方法。
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。图像传感器分为电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物硅(CMOS)图像传感器。
CCD具有诸如驱动方法复杂和高功耗的缺点。而且，由于需要多级光学处理而使CCD的制造方法复杂。
因此，CMOS图像传感器作为克服CCD的缺点的下一代图像传感器而受到关注。
CMOS图像传感器是采用切换模式的器件，它通过采用使用控制电路和信号处理电路作为外围电路的CMOS技术，在半导体衬底上的每个单元像素处形成MOS晶体管，来顺序地检测使用MOS晶体管的每个单元像素的输出。
根据晶体管的数量将CMOS图像传感器分为3T型、4T型和5T型。3T型CMOS图像传感器包括一个光电二极管和三个晶体管，4T型CMOS图像传感器包括一个光电二极管和四个晶体管。
在下文中，将参考其平面图来描述4T型CMOS图像传感器的单元像素。
如图1所示，根据现有技术的CMOS图像传感器的单元像素包括作为光电转换器的光电二极管10和四个晶体管。四个晶体管是传输晶体管(transfer transistor)20、复位晶体管30、存取晶体管(accesstransistor)40和选择晶体管50。在图1中，FD表示浮置扩散区(floatingdiffusion region)，附图标记90表示连接FD和接入晶体管40的耦合部分。Vin表示输入端、Vout表示输出端。
在下文中，将参考其剖面图来描述根据现有技术的CMOS图像传感器中的光电二极管10和传输晶体管20。
如图2所示，传输晶体管20包括形成在衬底11上的栅绝缘层21和栅电极23，形成在栅电极23两侧的第一侧壁29和第二侧壁31。
而且，n-型扩散区28和P0型扩散区(PDP；P型光电二极管注入)35形成在衬底11的光电二极管区(PD)。P0型扩散区35形成在n-型扩散区28上。此外，重掺杂n+型扩散区(N+)32和轻掺杂n-型扩散区26形成在衬底11的浮置扩散区(FD)。
图3是描述用于制造根据现有技术的CMOS图像传感器的工艺之一的剖面图。
如图3所示，将光刻胶层27涂布在衬底11的整个表面上，并且通过曝光和显影工艺对涂布的光刻胶层27进行构图，以便暴露出光电二极管区(PD)。
然后，通过使用构图的光刻胶层27作为硬掩模、用100KeV到500KeV的离子注入能量向衬底11注入轻掺杂n-型杂质离子，从而在光电二极管区形成轻掺杂n-型扩散区28。
以比在浮置扩散区形成轻掺杂n-型扩散区26的离子注入能量高的离子注入能量，来执行在光电二极管区形成轻掺杂n-型扩散区28的杂质离子注入，以便使轻掺杂n-型扩散区28形成得更深。
但是，制造根据现有技术的CMOS图像传感器的方法具有如下问题。
也就是说，为了将在光电二极管区上形成的n-型扩散区28用作传输晶体管20的源区，在执行光学处理时栅电极23的上部的预定区必须暴露出来。
也就是说，光刻胶层27必须不覆盖整个传输晶体管20。涂布光刻胶层27以暴露出栅电极23在源区一侧的预定部分，从而当执行离子注入工艺时光刻胶层27在栅电极23处自对准。
因此，由于当为形成n-型扩散区28而执行离子注入时，施加了从100KeV到500KeV范围的高离子注入能量，所以杂质离子也注入在栅电极23的暴露的部分A。因此，改变了传输晶体管20的特性，也由此降低了图像传感器的特性。
发明内容
因此，本发明涉及一种制造CMOS图像传感器的方法，其基本上消除了由于现有技术的限制和缺点而引起的一个或者多个问题。
本发明的一个目的是提供一种制造CMOS图像传感器的方法，其通过防止传输晶体管的特性改变来提高图像传感器的特性。
本发明的其它优点、目的和特征将在下面的描述中部分地提出，并且在下面的研究中对本领域普通技术人员将部分地变得明显，或者可以从本发明的实践中领会。本发明的目的和其他优点可以通过在说明书及其权利要求书以及附图中特别指出的结构来实现和获得。
为了实现这些目的和其他优点，并且根据本发明的目的，如在此具体实施和广义描述的，提供一种制造CMOS图像传感器的方法，该方法包括：在具有由光电二极管区和晶体管区限定的有源区的半导体衬底的晶体管区形成栅电极，一栅绝缘层插在所述晶体管区和栅电极之间；在栅电极一侧的晶体管区形成第一导电类型的第一杂质区；在栅电极两侧形成第一侧壁和第二侧壁；在栅电极一侧的晶体管区形成第一导电类型的第二杂质区；将光刻胶层涂布在半导体衬底上，并且通过曝光和显影工艺对该光刻胶层进行构图以覆盖晶体管区；使用构图的光刻胶作为掩模，在光电二极管区形成导电型的第三杂质区；使用该构图的光刻胶层作为掩模，有选择地去除预定厚度在第二侧壁绝缘层和栅电极之间的第一侧壁绝缘层；通过在预定温度下回流构图的光刻胶层来覆盖栅电极；使用回流的光刻胶层作为掩模有选择地去除第二侧壁绝缘层；以及使用回流的光刻胶层作为掩模，在栅电极形成有第三杂质区的一侧形成第一导电类型的第四杂质区。
根据本发明，能够提高图像传感器的特性，这是因为：通过在执行离子注入以形成轻掺杂n-扩散区时可靠地阻挡栅电极，从而使注入到栅电极的杂质量最小化，而使得传输晶体管的特性变化最小化。
应该理解，本发明的前面的概述和下面的详述是示例性和说明性的，并且意在提供对要求保护的本发明的进一步解释。
附图说明
所包括的附图提供了本发明的进一步理解，并且其被引进并构成了本申请的一部分，附图示出了本发明的实施例并且和说明书一起来说明本发明的原理。在附图中：
图1是根据现有技术的4T型CMOS图像传感器中的单元像素的平面图；
图2是沿着图1的线I-I’截取的剖面图，示出了光电二极管和传输栅；
图3是描述制造根据现有技术的CMOS图像传感器的工艺之一的剖面图；以及
图4A到4K是描述制造根据本发明的实施例的CMOS图像传感器的方法的剖面图。
具体实施方式
现在，将详细介绍本发明的优选实施例，其例子在附图中示出。在可能之处，在所有附图中使用相同的附图标记来表示相同或相似部件。
在下文中，将参考附图来详细描述制造根据本发明的实施例的CMOS图像传感器的方法。
根据本发明的实施例涉及制造具有NMOS晶体管的CMOS图像传感器的方法。对于本领域技术人员来说，显然，本发明能够应用于制造具有PMOS晶体管的CMOS图像传感器的方法。
根据本发明的实施例涉及制造具有四个晶体管的CMOS图像传感器的方法。对于本领域技术人员来说，显然，本发明可以应用于制造具有多个晶体管的CMOS图像传感器的方法，诸如一个、三个和五个晶体管。
图4A到4K是描述制造根据本发明的实施例的具有NMOS晶体管的CMOS图像传感器的方法的剖面图。
如图4A所示，制备衬底111。衬底111能够包括浮置扩散区(FD区)和光电二极管区(RD区)。
例如，在衬底111处，通过外延工艺在诸如重掺杂P++型单晶硅的半导体衬底形成轻掺杂P-型外延层，或者能够通过离子注入形成P阱。
形成外延层或者P阱是为了通过在光电二极管中大且深地形成耗尽区来提高低电压光电二极管积累光电荷的能力，并且提高其光灵敏度。
在形成外延层或P阱之后，依次淀积栅绝缘层112和例如重掺杂多晶硅层的导电层。然后，通过用光学和刻蚀工艺有选择地去除导电层来形成栅电极113。
可通过执行热氧化工艺或者化学气相淀积(CVD)来在半导体衬底上形成栅绝缘层112。
此外，还可进一步在栅电极113上形成硅化物层(未示出)。
然后，如图4B所示，能够在栅电极113上形成厚约60的氧化物层114。可通过热氧化工艺形成氧化物层114。氧化物层114起到用于给晶体管的源/漏注入离子的栅侧壁的作用。
然后，如图4C所示，将第一光刻胶层115涂布在衬底111上并且通过曝光和显影工艺来对其进行构图，以暴露出浮置扩散区并且覆盖光电二极管区。
然后，通过使用构图的第一光刻胶层115作为硬掩模，来将轻掺杂n-型杂质离子注入到暴露的浮置扩散区中，从而能够形成轻掺杂n-型扩散区116。
然后，如图4D所示，在去除第一光刻胶层115之后，在衬底111的整个表面上依次形成第一绝缘层117a和第二绝缘层118a。第一绝缘层117a和第二绝缘层118a可通过用化学气相淀积(CVD)和低压化学气相淀积(LPCVD)依次形成氧化物层117a和氮化物层118a来形成。
在此，氧化物层117a形成为具有大约150到250的厚度，氮化物层118a形成为具有大约700到900的厚度。例如，在本实施例中，氧化物层117a形成为具有大约200的厚度，氮化物层118a形成为具有大约800的厚度。
然后，如图4E所示，通过刻蚀氮化物层118a和氧化物层117a，能够在栅电极113的两侧形成具有氧化物层117和氮化物层118的间隔物。能够使用例如回刻蚀工艺的干法刻蚀来刻蚀氮化物层118a和氧化物层117a，以形成间隔物。
然后，如图4F所示，在衬底111的整个表面上涂布第二光刻胶层119，并且通过曝光和显影工艺对其进行构图，以暴露浮置扩散区并覆盖光电二极管区。
在构图之后，通过使用构图的第二光刻胶层119作为硬掩模，来将重掺杂n+杂质离子注入到浮置扩散区中，从而形成n+扩散区120。
然后，如图4G所示，去除第二光刻胶层119，并且在衬底111的整个表面上涂布第三光刻胶层121。然后，通过曝光和显影工艺对第三光刻胶层121进行构图，以暴露出光电二极管区。
然后，通过使用构图的第三光刻胶层121作为硬掩模来注入P0型杂质，从而在衬底111上形成P0型扩散区(PDP)122。
在此，P0型杂质离子能够是BF2或者硼。当使用BF2作为P0型杂质离子时，可以以大约1×1011和5×1012原子/cm2的剂量来注入BF2离子。
P0型扩散区(PDP)122可具有约1×1016到5×1017原子/cm3。
由于以小于40KeV的离子注入能量来执行BF2离子注入，所以不会对栅电极113施加任何热冲击。
然后，如图4H所示，通过使用第三光刻胶层121作为硬掩模有选择地去除氧化物层117，在栅电极113和氮化物层118之间形成孔B。
当作为后续工艺使第三光刻胶层121回流时，孔B起到第三光刻胶层121的流动障碍物的作用。也就是说，孔B能够提高第三光刻胶121的回流均匀性。
然后，如图4I所示，构图的第三光刻胶层121在大约100℃到300℃的温度下回流。
通过第三光刻胶层121的回流工艺，暴露的栅电极113变为覆盖有回流的第三光刻胶层121。
同时，与被最初构图的第三光刻胶层113覆盖的栅电极113相比，栅电极113被多覆盖大约0.4μm或者更少，并且回流工艺能够在光刻胶121的回流不超出栅电极113的上部宽度的范围内进行。
在此，第三光刻胶层121的回流停止在孔B处，其中在孔B处，氮化物118和栅电极113之间的氧化物层117被去除。
然后，如图4J所示，使用回流的第三光刻胶层121作为掩模，有选择地去除暴露的氮化物层118。
在此，能够使用湿法刻蚀工艺来有选择地去除氮化物层118。
然后，通过使用回流的第三光刻胶层121作为硬掩模，以大约100KeV到500KeV的离子注入能量，注入轻掺杂n-杂质离子，能够在衬底111的光电二极管区形成轻掺杂n-型扩散区123。
当注入轻掺杂n-型离子时，栅电极113被回流的光刻胶层121可靠地阻挡，其中回流的光刻胶层121覆盖了栅电极113的开放区。因此，有效地保护了栅电极113不受可能注入到栅电极113的杂质离子影响。
因此，晶体管的特性不改变。因此，能够有效地防止CMOS图像传感器的恶化。
在此，通过应用较高的注入能量，用于在光电二极管区形成轻掺杂n-扩散区123的杂质离子能够比浮置扩散区的轻掺杂n-扩散区116更深地注入。
然后，如图4K所示，在去除第三光刻胶层121之后，通过在大约800℃到1200℃的温度下对衬底111执行热处理，来扩散n-型扩散区123、P0型扩散区122、n-型扩散区116和n+型扩散区120中的杂质离子。
在本实施例中，在使用用于形成P0型扩散区122的第三光刻胶层121作为硬掩模，有选择地去除用于间隔物的氧化物层117之后，在光电二极管区形成n-型扩散区123。
但是，也可以在形成P0型扩散区122、去除第三光刻胶层121、涂布另外光刻胶层(未示出)、通过曝光和显影工艺构图该另外光刻胶层、以及使用构图的该另外光刻胶层作为掩模有选择地去除用于间隔物的氧化物层117之后，在光电二极管区形成n-型扩散区123。
根据本发明的CMOS图像传感器具有如下优点。
当执行离子注入以形成轻掺杂n-型扩散区123时，栅电极113的开放部分被回流的第三光刻胶层121覆盖，其中该n-型扩散区123用作光电二极管区的传输晶体管的源区。
因此，当为了形成轻掺杂n-型扩散区123而执行离子注入时，栅电极113被可靠地阻挡，以免受杂质离子影响。因此，通过使注入到栅电极113的杂质离子最小化，使传输晶体管的特性变化最小化。
显然，对于本领域技术人员来说，能够在本发明中进行各种修改和变化。因而，本发明意图覆盖落在权利要求及其等价物的范围内的本发明的各种修改和变化。
Claims (18)
1.一种制造CMOS图像传感器的方法，包括：
在具有由光电二极管区和晶体管区限定的有源区的半导体衬底的晶体管区形成栅电极，一栅绝缘层插在所述晶体管区和栅电极之间；
在栅电极一侧的晶体管区形成第一导电类型的第一杂质区；
在栅电极两侧形成第一侧壁和第二侧壁；
在栅电极一侧的晶体管区形成第一导电类型的第二杂质区；
将光刻胶层涂布在半导体衬底上，并且通过曝光和显影工艺对该光刻胶层进行构图以覆盖晶体管区；
使用构图的光刻胶作为掩模，在光电二极管区形成导电型的第三杂质区；
使用构图的光刻胶层作为掩模，有选择地去除预定厚度在第二侧壁绝缘层和栅电极之间的第一侧壁绝缘层；
通过在预定温度下回流构图的光刻胶层来覆盖栅电极；
使用回流的光刻胶层作为掩模有选择地去除第二侧壁绝缘层；以及
使用回流的光刻胶层作为掩模，在栅电极形成有第三杂质区的一侧形成第一导电类型的第四杂质区。
2.根据权利要求1的方法，其中该第二杂质区比第一杂质区形成得更深。
3.根据权利要求1的方法，进一步包括在栅电极上形成60或更薄的氧化物层。
4.根据权利要求1的方法，其中在100℃到300℃的温度下执行光刻胶的回流。
5.根据权利要求1的方法，进一步包括在形成第四杂质区之后对衬底执行热处理。
6.根据权利要求1的方法，其中该第一绝缘层和第二绝缘层由具有不同刻蚀选择性的绝缘层形成。
7.根据权利要求1的方法，其中通过湿法刻蚀工艺来去除该第二绝缘层。
8.根据权利要求1的方法，其中该第四杂质区比第一杂质区形成得更深。
9.根据权利要求1的方法，其中在第一导电类型的第三杂质区的形成中，将BF2或者硼用作杂质离子。
10.根据权利要求9的方法，其中以1×1011到5×1012原子/cm2的剂量来注入BF2。
11.根据权利要求9的方法，其中当注入BF2离子时，以小于40KeV的注入能量来执行离子注入。
12.根据权利要求9的方法，其中第一导电类型的第三杂质区具有1×1016到5×1017原子/cm3。
13.根据权利要求1的方法，其中在侧壁的形成中，该第一绝缘层是氧化物层，第二绝缘层是氮化物层。
14.根据权利要求1的方法，其中该第一绝缘层厚是150到250，而第二绝缘层厚是700到800。
15.根据权利要求1的方法，其中在侧壁的形成中，通过对第一绝缘层和第二绝缘层执行回刻蚀工艺来形成侧壁。
16.根据权利要求1的方法，其中在孔的形成中，通过使用构图的光刻胶层作为硬掩模来对光电二极管区的第一绝缘层执行湿法刻蚀工艺，在光电二极管区的栅电极和第二绝缘层之间形成孔。
17.根据权利要求1的方法，其中在覆盖开放的栅电极的过程中，通过热处理，使构图的光刻胶层一维地延伸大约0.4μm或者更小。
18.根据权利要求1的方法，其中在覆盖开放的栅电极的过程中，通过热处理，使构图的光刻胶层不超出开放的栅电极。
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