CN1917175A - 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。本发明包括步骤：在半导体基板中形成隔离层，限定包括光电二极管区和晶体管区的有源区；在所述晶体管区上形成栅绝缘层和栅电极；在所述光电二极管区中形成第一低浓度扩散区；在所述晶体管区中形成第二低浓度扩散区；在所述基板的整个表面之上形成绝缘层；将氟离子注入所述光电二极管区的上表面中；蚀刻所述绝缘层以在所述栅电极的两侧上形成一对绝缘侧壁；在所述晶体管区中形成高浓度扩散区以与所述第二低浓度扩散区部分地重叠；以及在所述光电二极管区的所述上表面上形成第三低浓度扩散区，所述第三低浓度扩散区具有与所述第一低浓度扩散区相反的导电类型。
Description
此申请要求于2005年8月10日提交的韩国专利申请No.10-2005-0073264的权益，其通过引用整体结合于此。
技术领域
本发明涉及一种图像传感器，更具体地，涉及一种互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器及其制造方法。
背景技术
作为一种半导体器件的图像传感器将光学图像变换成电信号，其可一般地分类成电荷耦合器件(CCD)和CMOS图像传感器。
传统地，CCD包括：设置成矩阵形式的多个光电二极管，用于将光学信号变换成电信号；形成在光电二极管之间的多个垂直电荷耦合器件(VCCD)，用于在垂直方向上传送在每个光电二极管中产生的电荷；多个水平电荷耦合器件(HCCD)，用于在水平方向上传送从每个VCCD传送的电荷；以及感测放大器，用于感测在水平方向上传送的电荷以输出电信号。
CCD具有复杂的操作机构和高功率消耗是已公知的。另外，其制造方法是很复杂的，因为在其制造中要求多个步骤的光刻过程。尤其是难于将CCD与其他器件如控制电路、信号处理电路、模拟/数字转换器等集成到单个芯片上。CCD的这样的缺点可能阻碍包含CCD的产品的小型化。
为了克服CCD的上述缺点，最近在新生代图像传感器中开发了CMOS图像传感器。CMOS图像传感器包括通过CMOS制造技术在半导体基板中形成的MOS晶体管。在CMOS图像传感器中，MOS晶体管相关于单位像素的数目、与外围电路如控制电路、信号处理电路等一起形成。CMOS图像传感器采用MOS晶体管依次检测每个像素的输出的切换模式。
更特别地，传统的CMOS图像传感器可以在每个像素中包括光电二极管和MOS晶体管，从而以切换模式依次检测每个像素的电信号以表达给出的图像。
CMOS图像传感器具有优点如低功率消耗和相对简单的制造过程。另外，CMOS图像传感器可以与控制电路、信号处理电路、模拟/数字转换器等集成，因为这样的电路可以使用使得产品能够小型化的CMOS制造技术来制造。CMOS图像传感器已经在多种应用如数字静止相机、数字摄影机等中广泛地使用。
同时，根据单位像素中晶体管的数目，CMOS图像传感器可以分类成3T、4T、5T类型等。3T类型CMOS图像传感器包括一个光电二极管和三个晶体管，以及4T类型包括一个光电二极管和四个晶体管。这里，3T型CMOS图像传感器的单位像素布局配置如下。
图1是传统CMOS图像传感器的电路图，以及图2是一布局，说明传统3T类型CMOS图像传感器中的单位像素。
如图1中所示，传统3T类型CMOS图像传感器的单位像素包括一个光电二极管PD和三个NMOS晶体管T1、T2和T3。光电二极管PD的阴极连接到第一NMOS晶体管T1的漏和第二NMOS晶体管T2的栅。
尤其地，第一和第二NMOS晶体管T1和T2的源连接到用于供给标准电压的供给端子(VR)，并且第一NMOS晶体管T1的栅连接到用于供给重置信号(RST)的重置端子。
另外，第三NMOS晶体管T3的源连接到第二NMOS晶体管T2的漏，并且第三NMOS晶体管T3的漏通过信号线连接到检测电路(未示出)。另外，第三NMOS晶体管T3的栅连接到选择信号线SLCT。
这里，第一NMOS晶体管T1是用于重置光电二极管PD中收集的光电子的重置晶体管Rx。第二NMOS晶体管T2是用作源跟随器缓冲放大器的驱动晶体管Dx。另外，第三NMOS晶体管T3是用作开关和寻址器的选择晶体管Sx。
在传统3T类型CMOS图像传感器中，如图2中所示，一个光电二极管20形成在被限定的有源区10的大部分中，并且第一到第三晶体管的三个栅电极120、130和140分别形成为在有源区10的其他部分中重叠。
第一栅电极120构成重置晶体管Rx。第二栅电极130构成驱动晶体管Dx。第三栅电极140构成选择晶体管Sx。
这里，除每个栅电极120、130和140之下的部分有源区之外，掺杂剂离子被注入其中形成有每个晶体管的有源区10中，以形成每个晶体管的源和漏区。
这里，供给电压Vdd施加到重置晶体管Rx和驱动晶体管Dx之间的源/漏区，并且形成在选择晶体管Sx的一侧的源/漏区连接到检测电路(未示出)。
上述栅电极120、130和140分别连接到信号线，并且每个信号线通过预定的垫连接到外部驱动电路，尽管其未示出。
图3a到3e是横截面视图，依次示出从图2中的III-III′线观察的用于制造CMOS图像传感器的传统方法。
如图3a中所示，使用外延过程，低浓度的P型外延层62形成在高浓度的P++型半导体基板61上。这里，低浓度的P型外延层62以4～7μm的厚度形成。
随后，在用光刻法遮蔽有源区和暴露半导体基板61上的隔离区之后，使用浅沟槽隔离(STI)过程或局部硅氧化(LOCOS)过程在隔离区中形成隔离层63。
接着，栅绝缘层64和导电层(例如重掺杂的多晶硅层)以依次顺序沉积在外延层62的整个表面上。使用光刻法和蚀刻过程将导电层和栅绝缘层64选择性地图案化，因此形成栅电极65。
参见图3b，第一光致抗蚀剂层66被施加在包括栅电极65的半导体基板61的整个表面之上，并且然后使用曝光和显影过程将其图案化，从而覆盖光电二极管区并暴露将形成有源/漏区的晶体管区。
使用第一光致抗蚀剂图案66作为掩模，低浓度的N型掺杂剂离子被注入被暴露的晶体管区以形成低浓度的N型扩散区67。
如图3c中所示，在移除第一光致抗蚀剂图案66之后，第二光致抗蚀剂层68被施加在半导体基板61之上，并且然后使用曝光和显影过程将其图案化，从而暴露光电二极管区。
然后，使用第二光致抗蚀剂图案68作为掩模，将低浓度的N型掺杂剂离子注入外延层62的被暴露的光电二极管区，因此形成低浓度的N型扩散区69。
这里，使用高于用于形成N型扩散区67的注入能量的注入能量，低浓度的N型扩散区69优选地以大于低浓度的N型扩散区67的深度的深度而形成。
优选地，N型扩散区69较深地形成以提高图像传感器的灵敏度。
这里，N型扩散区69用作重置晶体管的源，在图1和2中称作Rx。
在CMOS图像传感器的上述结构中，反向偏置被施加在光电二极管的N型扩散区69与低浓度的P型外延层62之间，因此导致由光产生电子的耗尽层。当重置晶体管Rx关断时，所产生的电子降低驱动晶体管Dx的电位。从重置晶体管Rx的关断开始，驱动晶体管的电位的降低持续进行，因此导致电位差。可以通过检测作为信号的该电位差来操作图像传感器。
如图3d中所示，在移除第二光致抗蚀剂图案68之后，绝缘层形成在基板61的整个表面之上。然后，在该绝缘层上执行回蚀刻过程以在栅电极65的两侧上形成绝缘侧壁70。
然后第三光致抗蚀剂层71形成在基板61的整个表面之上，并且然后通过曝光和显影过程将其图案化以覆盖光电二极管区和暴露晶体管源/漏区。
使用第三光致抗蚀剂图案71作为掩模，高浓度的N型掺杂剂离子被注入源/漏区以形成高浓度的N型扩散区72，即N+型扩散区。
如图3e中所示，在移除第三光致抗蚀剂图案71之后，第四光致抗蚀剂层73被施加在基板61的整个表面之上，并且然后通过曝光和显影过程将其图案化以暴露光电二极管区。
随后，使用光致抗蚀剂图案73作为掩模，P型掺杂剂离子被注入形成有N型扩散区69的光电二极管区，因此在外延层62的表面附近形成P0型扩散区74。
上述传统的CMOS图像传感器由于暗电流的增大而有缺点，如器件性能(例如电荷存储容量)的恶化。
这里，作为出现在显示图像中的一种噪声的暗电流由可主要产生在光电二极管区中的电流泄漏所引起。
通常，电流泄漏出现在隔离层的侧壁附近的界面陷阱缺陷中，以及出现在光电二极管的表面缺陷中。
传统地，为了移除引起暗电流的界面陷阱缺陷，该器件在炉中被退火以将硅的悬挂键(dangling bond)与氢接合。但是Si-H键是弱的，在器件的工作期间容易破坏。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种CMOS图像传感器及其制造方法，其中氟离子被注入光电二极管的上表面中，因此减少导致暗电流的表面缺陷。
为了实现上述目的，根据本发明的用于制造CMOS图像传感器的方法的一实施例包括步骤：在半导体基板中形成隔离层，限定包括光电二极管区和晶体管区的有源区；在晶体管区上形成栅绝缘层和栅电极；在光电二极管区中形成第一低浓度扩散区；在晶体管区中形成第二低浓度扩散区；在基板的整个表面之上形成绝缘层；将氟离子注入光电二极管区的上表面中；蚀刻该绝缘层以在栅电极的两侧上形成一对绝缘侧壁；在晶体管区中形成高浓度扩散区以与第二低浓度扩散区部分地重叠；以及在光电二极管区的上表面上形成第三低浓度扩散区，所述第三低浓度扩散区具有与第一低浓度扩散区相反的导电类型。
在根据本发明的包括光电二极管和MOS晶体管的CMOS图像传感器中，该光电二极管包括：形成在半导体基板中的第一低浓度扩散区，具有与该基板相反的导电类型；以及形成在其中形成有第一低浓度扩散区的基板的上表面中的氟注入层。
通过参考经常参照附图的本发明的下面的描述，本发明的这些和其他方面将变得明显。
附图说明
图1是传统CMOS图像传感器的电路图。
图2是一布局，说明传统3T型CMOS图像传感器中的单位像素。
图3a到3e是横截面视图，说明从图2中的III-III′线观查的用于制造CMOS图像传感器的传统方法。
图4a到4f是横截面视图，说明从图2中的III-III′线观查的用于制造CMOS图像传感器的方法。
具体实施方式
图4a到4f是横截面视图，说明从图2中的III-III′线观查的用于制造CMOS图像传感器的方法。
如图4a中所示，使用外延过程，低浓度的P型外延层102形成在高浓度的P++型半导体基板101(例如单晶的硅基板)上。
这里，外延层102用于在光电二极管区中形成深且宽的耗尽区。从而，可以提高低电压光电二极管的用于聚集光电子的能力，并且也可以提高光灵敏度。
可替选地，半导体基板101可以是N型半导体基板，并且外延层可以是P型外延层。
这里，低浓度的P型外延层102以4～7μm的厚度形成。
随后，隔离层103形成在基板101上以隔离将在随后过程中形成的电路元件。
这里，隔离层103的形成按如下执行，尽管图中没有示出。
首先，垫氧化物层、垫氮化物层、以及TEOS(原硅酸四乙酯)氧化物层以依次的顺序形成，并且光致抗蚀剂层被施加在TEOS氧化物层上。
接着，使用限定有源区和隔离区的掩模将光致抗蚀剂层曝光和显影以形成光致抗蚀剂图案。尤其地，移除隔离区上的光致抗蚀剂层的部分。
其后，使用光致抗蚀剂图案作为蚀刻掩模，选择性地移除隔离区之上的TEOS氧化物层、垫氮化物层、以及垫氧化物层的部分。
另外，使用图案化的TEOS氧化物层、垫氮化物层、以及垫氧化物层作为蚀刻掩模，以预定深度蚀刻基板的一部分以形成沟槽。
然后，通过沟槽在基板的被暴露表面上形成牺牲氧化物层，并且沟槽被填充以O3TEOS氧化物层。牺牲氧化物层优选地形成在沟槽的内壁中，并且O3TEOS氧化物层在大约1,000℃或更高的温度形成。
在填充沟槽之后，通过化学机械抛光移除O3TEOS氧化物层的部分，从而形成保持在沟槽中的隔离层103。然后，垫氧化物层、垫氮化物层、以及TEOS氧化物层被移除。
接着，栅绝缘层104和导电层(例如重掺杂的多晶硅层)以依次顺序沉积在外延层102的整个表面上。使用光刻法和蚀刻过程选择性地图案化该导电层和栅绝缘层64，从而形成栅电极105。可以使用热氧化过程或化学气相沉积(CVD)过程来形成栅绝缘层104。
参见图4b，第一光致抗蚀剂层106被施加在包括栅电极105的半导体基板101的整个表面之上，然后使用曝光和显影过程将其图案化，从而覆盖光电二极管区并暴露将形成源/漏区的晶体管区。
使用第一光致抗蚀剂图案106作为掩模，低浓度的N型掺杂剂离子注入被暴露的晶体管区以形成低浓度的N型扩散区107。
如图4c中所示，在移除第一光致抗蚀剂图案106之后，第二光致抗蚀剂层108被施加在半导体基板101之上，并且然后使用曝光和显影过程将其图案化，从而暴露光电二极管区。
然后，使用第二光致抗蚀剂图案108作为掩模，低浓度的N型掺杂剂离子注入外延层102的被暴露的光电二极管区，从而形成低浓度的N型扩散区109。
这里，使用高于用于形成N型扩散区107的注入能量的注入能量，低浓度的N型扩散区109优选地以大于低浓度的N型扩散区107的深度的深度而形成。
另外，N型扩散区109优选地距隔离层103预定距离d地形成。换句话说，第二光致抗蚀剂图案108优选地覆盖隔离层103之上的有源区的一部分。
如图4d中所示，完全移除第二光致抗蚀剂图案108，并且然后在基板101的整个表面之上形成绝缘层110a。
这里，绝缘层110a是由氮化物层、TEOS氧化物层或其双层形成的。接着，氟(F)离子通过绝缘层110a注入外延层102的整个表面中。
这里，在光电二极管区中的N型扩散区109的上部上，通过根据绝缘层110a的厚度调节注入能量来执行氟离子的注入。
当氟离子注入N型扩散区109的上部中时，产生氟-硅键以减少导致暗电流的表面泄漏。氟-硅键比硅-氢键强，所以其很少破坏。
如图4e中所示，在绝缘层110a上执行回蚀刻过程(例如各向异性的反应离子蚀刻过程)以在栅电极105的两侧上形成绝缘侧壁110。
然后第三光致抗蚀剂层111形成在基板101的整个表面之上，然后通过曝光和显影过程将其图案化以覆盖光电二极管区并暴露晶体管源/漏区。
使用第三光致抗蚀剂图案111作为掩模，高浓度的N型掺杂剂离子被注入源/漏区以形成高浓度的N型扩散区112，即N+型扩散区。
如图4f中所示，在移除第三光致抗蚀剂图案111之后，第四光致抗蚀剂层112被施加在基板101的整个表面之上，并且然后通过曝光和显影过程将其图案化以暴露光电二极管区。
随后，使用光致抗蚀剂图案112作为蚀刻掩模，P型掺杂剂离子被注入形成N型扩散区109的光电二极管区中，因此在外延层102的表面附近形成P0型扩散区113。
这里，P0型扩散区113以0.1～1.0μm的深度形成。
然后，在移除第四光致抗蚀剂图案112之后，执行随后过程(即使未示出)来制造CMOS图像传感器。
在上述根据本发明的用于制造CMOS图像传感器的方法中，氟离子被注入光电二极管区的上部中，使得产生比硅-氢键强的氟-硅键以减少导致暗电流的表面泄漏。在热处理或操作该器件期间，氟-硅键很少趋向于破坏。
尽管已经参考其某些优选实施例示出和描述了本发明，本领域技术人员将理解可以在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下在其中进行形式和细节上的各种改变。
Claims (7)
1.一种用于制造CMOS图像传感器的方法，包括步骤：
在半导体基板中形成隔离层，限定包括光电二极管区和晶体管区的有源区；
在所述晶体管区上形成栅绝缘层和栅电极；
在所述光电二极管区中形成第一低浓度扩散区；
在所述晶体管区中形成第二低浓度扩散区；
在所述基板的整个表面之上形成绝缘层；
将氟离子注入所述光电二极管区的上表面中；
蚀刻所述绝缘层以在所述栅电极的两侧上形成一对绝缘侧壁；
在所述晶体管区中形成高浓度扩散区以与所述第二低浓度扩散区部分地重叠；以及
在所述光电二极管区的所述上表面上形成第三低浓度扩散区，所述第三低浓度扩散区具有与所述第一低浓度扩散区相反的导电类型。
2.如权利要求1的方法，其中所述第一低浓度扩散区距所述隔离层一预定距离地形成。
3.如权利要求1的方法，其中所述绝缘层包括氮化物层和TEOS氧化物层中的至少一个。
4.如权利要求1的方法，其中通过根据所述绝缘层的厚度调节注入能量来执行所述氟离子的注入。
5.一种包括光电二极管和MOS晶体管的CMOS图像传感器，所述光电二极管包括：
第一低浓度扩散区，形成在半导体基板中，具有与所述基板相反的导电类型；以及
氟注入层，形成在所述基板的上表面中，其中形成有所述第一低浓度扩散区。
6.如权利要求5的传感器，其中所述光电二极管还包括第二低浓度扩散区，其具有与所述第一低浓度扩散区相反的导电类型。
7.如权利要求5的传感器，其中所述第一低浓度扩散区距形成在所述基板中的隔离层一预定距离地形成。
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