CN1941389A - Cmos图像传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

所公开的是一种CMOS图像传感器。器件隔离膜形成在半导体衬底的器件隔离区中,以限定有源区和器件隔离区。栅绝缘膜形成在半导体衬底上。栅绝缘膜在器件隔离膜的界面区域处和在器件隔离膜之间的有源区处具有不同厚度。栅电极形成在栅绝缘膜上。浮动扩散区形成在栅电极一侧的半导体衬底中。光电二极管区形成在栅电极另一侧的半导体衬底中。还公开了一种制造该CMOS图像传感器的方法。

Description

CMOS图像传感器及其制造方法
相关申请的交叉参考
本申请要求于2005年9月28日提交的韩国申请No.10-2005-0090455的权益,通过引用将其全部内容合并于此。
技术领域
本发明涉及一种COMS图像传感器,更具体而言,涉及一种具有改良特性的COMS图像传感器及其制造方法。
背景技术
通常,图像传感器是将光学图像转换为电信号的半导体IC器件。图像传感器主要分为电荷耦合器件(CCD)和CMOS图像传感器。
CCD包括多个垂直电荷耦合器件(VCCD)、水平电荷耦合器件(HCCD)和感测放大器(sense amplifier),在所述多个垂直电荷耦合器件中以矩阵形式设置了用于将光信号转换为电信号的多个光电二极管(PD)。VCCD形成于以矩阵形式垂直设置的光电二极管之间,并在垂直方向上传送从每个光电二极管生成的电荷。HCCD在水平方向上传送由VCCD所传送的电荷。感测放大器对水平方向上所发送的电荷进行感测并根据所检测的电荷来产生电信号。
但是,这种CCD具有复杂的驱动,消耗大量功率并且需要多步光刻步骤,导致了复杂的制造工艺。
此外,在传统的CCD中,难以将控制电路、信号处理器、A/D转换器等集成在一个CCD芯片上。这使得难以将CCD小型化。
近来,为了克服电荷耦合器件的以上缺点,作为下一代图像传感器,CMOS图像传感器正在引起广泛关注。
在CMOS图像传感器中,将控制电路、信号处理电路用作外围电路的CMOS技术被用来在半导体衬底中形成与单元像素的数目对应的MOS晶体管。这样,利用MOS晶体管顺序地对来自每个单元像素的输出进行检测,即,采用切换模式(switching mode)。
即,在CMOS图像传感器中,在单元像素中形成光电二极管和MOS晶体管。CMOS图像传感器适合于按照切换方法,通过对各个单元像素的电信号顺序地进行检测来形成图像。
由于CMOS图像传感器是通过CMOS制造技术制造的,因此它具有如下优点,如相对低的功耗,以及通过相对较少次数的光刻步骤而简化的制造工艺。
此外,CMOS图像传感器具有如此构造,其中可以将控制电路、模拟数字转换器等集成在图像传感器芯片上,由此提供了产品小型化的优点。
因此,这种CMOS图像传感器已经被广泛用于各个应用中,如数字相机和数字摄像机等。
按照晶体管的数量,CMOS图像传感器被分为3T、4T和5T型等。例如,3T型包括一个光电二极管和三个晶体管且4T型包括一个光电二极管和四个晶体管。
此后,将对用于4T CMOS传感器中的单元像素的布局进行描述。
图1为用于普通4T CMOS图像传感器的等效电路。图2为示出了普通4T CMOS图像传感器中单元像素的布局。
如图1所示,CMOS图像传感器的单元像素100包括作为光电变换器的光电二极管10和四个晶体管。
四个晶体管包括转移晶体管20、复位晶体管30、驱动晶体管40和选择晶体管50。另外,负载晶体管60电连接到单元像素100的输出端(OUT)。
标号FD、Tx、Rx、Dx和Sx分别表示漂移扩散区、转移晶体管20的栅电压、复位晶体管30的栅电压、驱动晶体管40的栅电压和选择晶体管50的栅电压。
如图2所示,在普通4T CMOS图像传感器的单元像素中,限定了有源区,并且在有源区以外的区域中形成器件隔离膜。在有源区的较宽区域中形成单个PD,并在有源区的剩余部分中形成四个晶体管的栅电极23、33、43和53,以便进行重叠。
即,由栅电极23形成转移晶体管20,由栅电极33形成复位晶体管30,由栅电极43形成驱动晶体管40,并由栅电极53形成选择晶体管50。
这里,将杂质离子注入到除了各栅电极23、33、43和53的底部以外的各个晶体管的有源区中,由此形成每个晶体管的源极/漏极区(S/D)。
图3为沿着图2的线I-I′获得的截面视图,示出了常规的CMOS图像传感器。
如图3中所示,低浓度P-型外延层62形成在高浓度P++型半导体衬底61中。器件隔离膜63形成在其中形成P-外延层62的半导体衬底61的器件隔离区中。
此后,栅绝缘膜64形成在半导体衬底61的整个表面上,且转移晶体管的栅电极65形成在栅绝缘膜64上。
这里,在栅电极65下的器件隔离膜63之间的P-外延层62形成了沟道区C。
另一方面,以上配置的转移晶体管起在没有损失的情况下平稳地将电子从光电二极管(图2中PD)转移到浮动扩散区(图1和2中的FD)的作用。
即,电子通过形成在转移晶体管栅电极65下的沟道区C,从光电二极管转移到浮动扩散区。
然而,以上常规CMOS图像传感器包括以下缺点。
由于器件隔离膜的界面缺陷,在沟道区和器件隔离膜之间的界面附近流动的少量电子被损失(即,由于器件隔离膜的界面中漏电流的损失),由此降低了图像传感器的特性。
发明内容
为了解决以上问题而进行了本发明,且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,其防止在器件隔离膜的界面中出现漏电流,以提高图像传感器的特性。
为了实现上述目的,根据本发明的一个方面,提供一种CMOS图像传感器,包括:器件隔离膜,形成在半导体衬底的器件隔离区中,限定有源区和器件隔离区;形成在半导体衬底上的栅绝缘膜,所述栅绝缘膜在器件隔离膜之间的有源区处和在器件隔离膜的界面区域处具有不同的厚度;形成在栅绝缘膜上的栅电极;形成在栅电极一侧的半导体衬底中的浮动扩散区;以及形成在栅电极另一侧的半导体衬底中的光电二极管区。
根据本发明的另一方面,提供一种制造CMOS图像传感器的方法,所述方法包括以下步骤:在半导体衬底的器件隔离区中形成器件隔离膜,所述半导体衬底限定了器件隔离区和有源区;在半导体衬底上形成栅绝缘膜,所述栅绝缘膜在器件隔离膜之间的有源区处和在器件隔离膜的界面处具有不同的厚度;在半导体衬底上的晶体管区中形成栅绝缘膜,以具有不同的厚度;在栅绝缘膜上形成栅电极;在栅电极一侧的半导体衬底中形成浮动扩散区;以及在栅电极另一侧的半导体衬底中形成光电二极管区。
附图说明
图1为用于普通4T CMOS图像传感器的等效电路。
图2为示出了普通4T CMOS图像传感器中单元像素的布局。
图3为沿着图2的线I-I′获得的截面视图,示出了常规的CMOS图像传感器。
图4a为沿着图2的线I-I′获得的截面视图,示出了根据本发明的CMOS图像传感器。
图4b为沿着图2的线IV-IV′获得的截面视图,示出了根据本发明的CMOS图像传感器。
图5a到5d为沿着图2中的线I-I′获得的截面视图,示出了根据本发明的制造CMOS图像传感器的方法。
图6a到6c为沿着图2中的线IV-IV′获得的截面视图,且图示了在形成了图5a至5d的栅电极后根据本发明的制造CMOS图像传感器的方法。
具体实施方式
此后将参照附图,对根据本发明的CMOS图像传感器及其制造方法进行详细描述。
图4a为沿着图2的线I-I′获得的截面视图,示出了根据本发明的CMOS图像传感器。图4b为沿着图2的线IV-IV′获得的截面视图,示出了根据本发明的CMOS图像传感器。
如图4a和4b所示,低浓度P-外延层102形成在高浓度P++型半导体衬底101的表面中,且器件隔离膜103形成在其中形成P-外延层102的半导体衬底101的器件隔离区中。
在半导体衬底103的整个表面上形成了具有不同厚度的栅绝缘膜104。在栅绝缘膜104上所形成的是转移晶体管的栅电极106。
这里,通过在栅电极106下的器件隔离膜103之间的P-外延层限定了沟道区C。
另外,n-型扩散区108形成在栅电极106一侧的有源区中,且n+型扩散区110形成在栅电极106另一侧的有源区中。
这里,n-型扩散区108是光电二极管区,且n+型扩散区110是浮动扩散区。
另一方面,本发明的CMOS图像传感器如此地配置,使得栅绝缘膜103具有不同的厚度。即,在器件隔离膜103一侧的栅绝缘膜103具有较厚的厚度,而在沟道区C中心部分的栅绝缘膜103具有相对较薄的厚度。
利用根据本发明的上述配置的CMOS图像传感器,当沟道区C形成且然后电子经由沟道区从光电二极管区向浮动扩散区行进时,电子优选地向着具有较强电场的中心区域(图1中箭头所示方向)移动。由此,相对而言,可以同样多地减少向着相邻器件隔离膜103而移动的电子的量。
因此,可利用以下方法来最小化电子损失,由此能够提高图像传感器的特性。
图5a至5d是沿着图2中的线I-I′获得的截面视图,示出了根据本发明的制造CMOS图像传感器的方法。
如图5a中所示,使用外延工艺,将低浓度的第一导电(P-型)外延层102形成在如高浓度的第一导电(P++型)单晶硅的半导体衬底101上。
这里,形成外延层102,以便在光电二极管中具有大且深的耗尽区。这是为了提高用于收集光电荷的低压光电二极管的能力并进一步地提高其光灵敏度。
另一方面,半导体衬底101可以具有在n型衬底中所形成的p型外延层。
然后,将有源区和器件隔离区限定在半导体衬底101中,并使用STI工艺将器件隔离膜103形成在器件隔离区中。
尽管图中没有示出,但这里还是要解释用于形成器件隔离膜103的方法。
首先,在半导体衬底上顺序形成焊盘(pad)氧化膜、焊盘氮化膜以及TEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicate,原硅酸四乙酯)氧化膜,且然后在TEOS氧化膜上形成光敏膜。
此后,利用用于限定有源区和器件隔离区的掩模,对光敏区进行曝光和显影,由此将光敏膜图案化。这时,将器件隔离区上的光敏膜去除。
另外,将经过图案化的光敏膜用作掩模,选择性地把器件隔离区上的焊盘氧化膜、焊盘氮化膜和TEOS氧化膜去除。
然后,将经过图案化的焊盘氧化膜、焊盘氮化膜以及TEOS氧化膜用作掩膜,对器件隔离区的半导体衬底进行蚀刻,以形成具有期望深度的沟槽。将光敏膜全部去除。
此后,将绝缘材料掩埋在沟槽内,以在沟槽内形成器件隔离膜103。然后,去除焊盘氧化膜、焊盘氮化膜和TEOS氧化膜。
如图5b中所示,在其中形成器件隔离膜103的外延层102的整个表面上,将栅绝缘膜104形成为40~70的厚度。
然后,在栅绝缘膜104上涂覆光敏膜105之后,通过曝光和显影工艺来执行选择性图案化,使得器件隔离膜103之间的中心区域被敞开。
另外,使用经过图案化的光敏膜105作为掩膜,从栅绝缘膜104的暴露表面选择性地去除期望厚度的栅绝缘膜104。
这里,将栅绝缘膜104从其表面去除约30的厚度。
因此,在器件隔离膜103之间保留在半导体衬底101上的栅绝缘膜104具有10~40的厚度,且在器件隔离膜103和与其相邻的半导体衬底101上所形成的栅绝缘膜103具有40~70的厚度。
另一方面,本发明的这个实施例图示了从栅绝缘膜104的表面去除期望厚度的栅绝缘膜104,但不限于此。例如,第一栅绝缘膜形成为40~70的厚度,从在器件隔离膜103之间的中心部分选择性地去除第一栅绝缘膜,且在其中去除第一栅绝缘膜的区域中形成具有10~40厚度的第二栅绝缘膜。
如图5c中所示,当光敏膜105被去除时,栅绝缘膜104成为具有不同的厚度。
如图5d中所示,把导电层(例如,高浓度多晶硅层)淀积在具有不同厚度的栅绝缘膜104上,且通过光蚀刻工艺将其选择性地去除,以形成转移晶体管的栅电极106。
另一方面,图6a至6c是沿着图2中的线IV-IV′获得的截面视图,且图示了根据本发明在形成图5a至5d的栅电极后制造CMOS图像传感器的方法。
如图6a所示,将第一光敏膜107涂覆在包括栅电极106的半导体衬底101的整个表面上,且然后通过曝光和显影工艺来图案化,使得光电二极管区被敞开。
这里,形成经过图案化的第一光敏膜107,以便包括栅电极106的上部的一部分。
另外,使用经过图案化的第一光敏膜107作为掩膜,将低浓度的n-型杂质离子注入到所暴露的光电二极管区,以形成n-型扩散区108。
这里,n-型扩散区108还可以用作转移晶体管的源区(图1和2中的Tx)。
另一方面,如果在每个n-型扩散区108和低浓度P-型外延层102之间施加反向偏压,则产生了耗尽层。该耗尽层接收光来生成电子,这在复位晶体管关断时减少了驱动晶体管的电势。当复位晶体管在导通后被关断时,电势连续降低,由此生成电压差。电压差经过信号处理以操作图像传感器。
如图6b中所示,在第一光敏膜107被完全去除后,将第二光敏膜109涂覆在半导体衬底101的整个面上。然后,通过曝光和显影工艺来执行图案化,使得暴露每个晶体管的源/漏区。
此后,使用经过图案化的第二光敏膜109作为掩膜,将高浓度n+型杂质离子注入到所暴露的源/漏区中,以在半导体衬底101内形成高浓度n+型扩散区(浮动扩散区)110。
这里,高浓度n+型杂质离子采用As离子,且使用约80keV的离子注入能量注入约4E15的剂量。
如图6c所示,将第二光敏膜109去除。然后,对半导体衬底101执行热处理(例如,快速热处理工艺),以在n-型扩散区域108和n+型扩散区域110中扩散杂质离子。
这里,执行热处理,使得就一个尺度而言,n-型扩散区108和n+型扩散区域110的扩展区域变得不大于0.4μm(扩展量/侧)。
尽管已经参照几个示例性实施例对本发明进行了描述,但是,该描述是本发明的说明,而不对本发明构成限制。在不脱离由所附权利要求所限定的本发明的范围和精神的情况下,本领域技术人员可以进行各种修改、改变和替换。
如上所述,本发明的CMOS图像及其制造方法具有以下效果。
即,传递晶体管的栅绝缘膜具有不同的厚度,由此当电子从光电二极管行进到浮动扩散区时最小化了电子损失。

Claims (7)

1.一种CMOS图像传感器,包括:
形成在半导体衬底的器件隔离区中的器件隔离膜,以限定有源区和器件隔离区;
形成在所述半导体衬底上的栅绝缘膜,所述栅绝缘膜在所述器件隔离膜的界面区域处和在所述器件隔离膜之间的所述有源区处具有不同的厚度;
形成在所述栅绝缘膜上的栅电极;
形成在所述栅电极一侧的所述半导体衬底中的浮动扩散区;以及
形成在所述栅电极另一侧的所述半导体衬底中的光电二极管区。
2.如权利要求1所述的CMOS图像传感器,其中所述栅绝缘膜如此形成,使得其在所述器件隔离膜界面侧的厚度大于在所述器件隔离膜之间的所述有源区中的所述栅绝缘膜的厚度。
3.如权利要求2所述的CMOS图像传感器,其中在所述器件隔离膜界面侧的所述栅绝缘膜具有40~70的厚度,而在所述器件隔离膜之间的中心区域形成的所述栅绝缘膜具有10~40的厚度。
4.一种制造CMOS图像传感器的方法,所述方法包括以下步骤:
在半导体衬底的器件隔离区中形成器件隔离膜,所述半导体衬底限定了器件隔离区和有源区;
在所述半导体衬底上形成栅绝缘膜,所述栅绝缘膜在所述器件隔离膜的界面处和在所述器件隔离膜之间的有源区处具有不同的厚度;
在所述半导体衬底上的晶体管区中形成栅绝缘膜,以具有不同的厚度;
在所述栅绝缘膜上形成栅电极;
在所述栅电极一侧的所述半导体衬底中形成浮动扩散区;以及
在所述栅电极另一侧的所述半导体衬底中形成光电二极管区。
5.如权利要求4的方法,其中通过在形成了器件隔离膜的半导体衬底的整个表面上形成栅绝缘膜来形成所述栅绝缘膜,并将在所述器件隔离膜之间的所述有源区的中心区域中形成的所述栅绝缘膜蚀刻到期望深度。
6.如权利要求4的方法,其中所述栅绝缘膜形成步骤包括以下步骤:在形成了器件隔离膜的半导体衬底的整个表面上形成第一栅绝缘膜,选择性地去除在所述器件隔离膜之间的中心区域形成的所述第一栅绝缘膜,以及在所述第一栅绝缘膜的被去除部分中形成第二栅绝缘膜,所述第二栅绝缘膜具有比所述第一栅绝缘膜大的厚度。
7.如权利要求6的方法,其中所述第一栅绝缘膜形成为具有40~70的厚度,且所述第二栅绝缘膜形成为具有10~40的厚度。
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