CN1953195A - Cmos图像传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种CMOS图像传感器及其制造方法，可以防止光电二极管的损伤并提高象素的设计余量以降低象素尺寸。该CMOS图像传感器包括：形成于半导体衬底的绝缘区上的绝缘层；延伸并穿过绝缘区和有源区的一部分的栅极；形成于半导体衬底有源区上的光电二极管区；形成于栅极的两侧的绝缘侧壁；形成于栅极的顶层和邻接栅极的光电二级管区的部分表面上的金属硅化物层；电连接栅极到光电二极管区的金属层；以及形成于半导体衬底的整个表面上的电介质层。

Description

CMOS图像传感器及其制造方法
本申请要求2005年10月13日提交的申请号为10-2005-0096365的韩国申请的权利，并整体在此一并做为参考。
技术领域
本发明涉及一种CMOS(互补金属氧化物硅)图像传感器。本发明尤其涉及一种CMOS图像传感器及其制造方法，可以在缩小象素的同时简化CMOS图像传感器结构。
背景技术
通常，图像传感器是将光学图像转化为电信号的半导体器件，分为电荷耦合器件(CCD)和CMOS图像传感器。
CCD具有多个布置成矩阵形式以将光信号转化为电信号的光电二极管(PDs)。CCD包括多个垂直布置在该矩阵中的光电二极管之间的垂直电荷耦合器件(VCCDs)，以在每个光电二极管产生电荷时在垂直方向传送电荷，还包括多个水平电荷耦合器件(HCCDs)，用于在水平方向上传输由VCCDs传送来的电荷，以及一个感应放大器，用于通过感应在水平方向传输的电荷来输出电信号。
但是，这种CCD具有多种缺点，例如复杂的驱动模式、高功耗等。还有，CCD要求多步图像处理，这样，制造CCD的过程就较复杂。
另外，由于将控制器、信号处理器以及模拟/数字转换器(A/D转换器)集成到CCD的单个芯片上是很困难的，因此CCD不适合用于紧凑尺寸的产品。
近来，CMOS图像传感器做为可以解决CCD的问题的下一代图像传感器而被瞩目。
CMOS图像传感器是使用开关模式依靠MOS晶体管连续探测每个单元象素的输出的器件，其中，MOS晶体管通过一种使用外部设备如控制器和信号处理器的CMOS技术，与单元象素相对应地形成在半导体衬底上。
也即，COMS传感器在每个单元象素中包括一个光电二极管和一个MOS晶体管，在开关模式下连续探测每个单元象素的电信号来再现图像。
由于CMOS图像传感器利用了CMOS技术，CMOS图像传感器具有如低功耗和制造过程因图像处理步骤相对较少而简化的优点。
另外，CMOS图像传感器允许产品具有紧凑的尺寸，因为控制器、信号处理器和A/D转换器可以集成到CMOS图像传感器的单个芯片上。
因此，CMOS图像传感器广泛地用于不同的应用，例如数码照相机、数码摄像机等。
CMOS图像传感器根据晶体管的数量可以分为3Tr-1PD型图像传感器、4Tr-1PD型图像传感器以及5Tr-1PD型图像传感器。3Tr-1PD型图像传感器包括一个光电二级管和三个晶体管，4Tr-1PD型图像传感器包括一个光电二级管和四个晶体管。
以下，结合传统的3Tr-1PD型图像传感器的等效电路及其单元象素的版图来进行描述。
附图1是传统的3Tr-1PD型图像传感器的等效电路图，附图2是传统的3Tr-1PD型图像传感器的单元象素的版图。
如附图1所示，传统的3Tr-1PD型图像传感器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的漏极和第二nMOS晶体管T2的棚极。
另外，第一和第二nMOS晶体管T1和T2的源极连接到提供参考电压VR的电源线，第一nMOS晶体管T1的栅极连接到提供复位信号RST的复位线。
第三nMOS晶体管T3的源极连接到第二nMOS晶体管T2的漏极，第三nMOS晶体管T3的漏极通过信号线连接到读取电路(未示)，第三nMOS晶体管T3的栅极连接提供选择信号SLCT的列选线。
第一nMOS晶体管T1是用于复位光电二极管PD聚集的光电荷的复位晶体管Rx，第二nMOS晶体管T2是做为源跟随缓冲放大器的源跟随晶体管Dx，第三nMOS晶体管T3是执行开关和选址功能的选择晶体管Sx。
如附图2所示，在传统的3Tr-1PD型图像传感器的单元象素上定义一个有源区，这样，一个光电二极管20形成在有源区10大而较宽的部分，三个晶体管的栅极30、40、50分别交叠在有源区10的剩余部分。
也即，复位晶体管Rx与栅极30合并，源跟随晶体管Dx与栅极40合并，选择晶体管Sx与栅极50合并。
在每个晶体管的有源区10中除栅极30、40和50的较低部分外的部分进行掺杂，由此形成每个晶体管的源极/漏极区。
这样，在复位晶体管Rx和源跟随晶体管Dx之间形成的源极/漏极区中提供了接收外部电势的输入终端Vin，还在形成于选择晶体管Sx一侧的源极/漏极区中提供了连接到读取电路(未示出)的输出终端Vout。
附图3是传统CMOS图像传感器沿附图2的IV-IV`线的剖视图。
如附图3所示，传统CMOS图像传感器包括：形成于p型半导体衬底41的绝缘区上的绝缘层42，，所述半导体衬底41上定义了有源区和绝缘区；具有延伸并穿过有源区和绝缘层42的一部分的栅极43的源跟随晶体管；形成于半导体衬底41的有源区的一部分上的光电二极管区(PD)44；形成于半导体衬底41的整个表面上的电介质层45；延伸经过电介质层45以将栅极43和光电二极管区44电连接的金属连接46。
金属连接46通过接触孔47连接栅极43和光电二级管区44，该接触孔通过穿过电介质层45形成，这样光电二极管区44和栅极43的表面的预定部分暴露，钨栓48形成于接触孔47中。
根据具有上述结构的传统的CMOS图像传感器，由于光电二极管区电连接到栅极43，光电二极管区44电势的变化可能对源跟随晶体管的栅极电势产生影响。
另外，棚极电势可能对晶体管的性能产生很大影响。
但是，为了最大程度地实现图像传感器的特性，需要直接将光电二极管区的电势变化无损失地传递到相邻晶体管的棚极终端。
因此，和其他器件不同，连接光电二极管区到相邻晶体管栅极的方法非常重要。
如上所述，根据传统连接方法，所述接触孔形成于光电二极管区和栅极的上部，通过将金属材料注入接触孔形成钨栓。在这种情况下，金属层如铝层被沉积和构图以形成金属连接。
但是，上述连接方法在光电二极管区中形成接触孔时会损伤光电二极管。另外，由于光电二极管区通过四个触点依靠金属连接来连接到栅极，提高象素设计余量是很困难的。
发明内容
本发明为解决现有技术中的上述问题而提出，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，以防止光电二极管被损伤并提高象素设计余量来减小象素尺寸。
根据本发明的一个方面，提供了一种包括一个光电二极管和多个晶体管的CMOS图像传感器，所述CMOS图像传感器包括：形成于半导体衬底绝缘区上的绝缘层，所述半导体衬底上定义了绝缘区和有源区；延伸并穿过有源区和绝缘层的一部分的栅极；形成于半导体衬底有源区的一部分上的光电二极管区；形成于栅极两侧的绝缘侧壁；形成于栅极的顶层表面和与该栅极相邻的光电二极管区的部分表面上的金属硅化物层；用于将栅极和光电二极管区电连接的金属层；以及，形成于包括金属层和金属硅化物层的半导体衬底的整个表面上的电介质层。
根据本发明的另一个方面，提供了一种制造包括一个光电二极管和多个晶体管的CMOS图像传感器的方法，该方法包括步骤：在半导体衬底的绝缘区上形成绝缘层，所述衬底上定义了绝缘区和有源区；通过在绝缘层和有源区之间插入栅极绝缘层以在有源区和绝缘层的一部分上形成栅极；在半导体衬底的有源区的预定部分上形成光电二极管区；在栅极的两侧形成绝缘侧壁；在包括栅极的半导体衬底的整个表面上沉积金属层；对半导体衬底进行退火处理，从而在金属层、栅极和光电二极管区的界面区上形成金属硅化物层；选择性地蚀刻金属层上除用于将栅极和光电二极管区电连接的预定部分之外的部分；以及在包括金属层和金属硅化物层的半导体衬底的整个表面上形成电介质层。
附图说明
附图1是传统的3Tr-1PD型图像传感器的等效电路图；
附图2是传统的3Tr-1PD型图像传感器的单元象素的版图；
附图3是传统CMOS图像传感器沿附图2中IV-IV`线的剖面图；
附图4是根据本发明的CMOS图像传感器沿附图2中IV-IV`线的剖视图；
附图5a到5g为示出根据本发明的CMOS图像传感器的制造过程的剖视图。
具体实施方式
以下，根据本发明的CMOS传感器及其制造方法将参照附图详细说明。
附图4是根据本发明的CMOS图像传感器沿附图2中IV-IV`线的剖视图。
如附图4所示，CMOS图像传感器包括：形成于p型半导体衬底101的绝缘区上的绝缘层102，所述衬底101上定义了有源区和绝缘区；具有延伸并穿过有源区和绝缘层102的一部分的栅极103的源跟随晶体管；形成于半导体衬底101的有源区的一部分上的光电二极管区(PD)105；形成于栅极103两侧的绝缘侧壁106；形成于栅极103的顶层表面和与栅极103相邻的光电二极管区105表面的一部分上的金属硅化物层109；用于电连接栅极103到光电二极管区105的金属层107；形成于金属层107和金属硅化物层109上的金属阻挡层108；形成于包括金属阻挡层108的半导体衬底101的整个表面上的电介质层111。
附图5a到5g为剖视图，示出了根据本发明的CMOS图像传感器的制造过程。
当晶体管制造后执行自对准硅化物(salicide)处理时，栅极通过自对准硅化物金属层电连接到光电二极管，这样，避免了光电二极管被损坏。
如附图5a所示，绝缘层102形成于半导体衬底101的绝缘区上，所述半导体衬底101上定义了有源区和绝缘区。
虽然未在图中示出，形成绝缘层102的方法如下：
首先，在该半导体衬底上顺序形成一个衬垫氧化层、一个衬垫氮化层和一个TEOS(正硅酸四乙酯)氧化层。接着，在TEOS氧化层上形成光刻胶膜。
此后，对所述光刻胶膜进行曝光和显影处理，再对其用具有图案的掩模板构图以形成有源区和绝缘区。此时，移除形成于绝缘层上的光刻胶膜。
接着，形成于绝缘层上的衬垫氧化层、衬垫氮化层和TEOS氧化层被选择性地移除。此时，构图后的光刻胶膜作为掩模使用。
接着，以预定深度蚀刻半导体衬底的绝缘区，由此形成沟槽。此时，将构图后的衬垫氧化层、衬垫氮化层和TEOS氧化层用作蚀刻掩模。接着，完全移除光刻胶膜。
此后，在具有沟槽的衬底的整个表面上形成薄损耗氧化层，并且在衬底上形成O3TEOS层，以用O3TEOS填充沟槽。此时，所述损耗氧化层也形成于所述沟槽的内壁。另外，O3TEOS形成于1000℃或者以上的温度条件下。
接着，对半导体衬底的整个表面进行CMP(化学机械抛光)处理，O3TEOS仅保留在沟槽区，从而在沟槽中形成绝缘层102。然后，除去衬垫氧化层、衬垫氮化层、TEOS氧化层。
接着，如附图5b所示，在半导体衬底101的整个表面上顺序沉积栅极绝缘层(未示)和导电层(例如多晶聚合硅层)，接着，选择性地蚀刻所述栅绝缘层和导电层，由此形成栅极103。
栅极103作为源跟随晶体管的栅极。其他晶体管的栅极也随源跟随晶体管的栅极103同时形成。
接着，如附图5c所示，将第一光刻胶膜104涂敷到包括栅极103的半导体衬底101的整个表面上。此后，通过曝光和显影处理对所述第一光刻胶膜104进行选择性构图，以在有源区定义光电二极管区。
接着，将低密度掺杂物注入半导体衬底101中，由此形成光电二极管区105。此时，构图后的所述第一光刻胶膜104作为掩模使用。
接着，如附图5d所示，在移除所述第一光刻胶膜104之后，在半导体衬底101的整个表面上形成绝缘层。此后，对所得结构的整个表面进行回蚀处理，由此在栅极103两侧形成绝缘侧壁106。
另外，虽然附图中没有显示，源极/漏极掺杂物注入形成于栅极103两侧的半导体衬底101，从而形成源极/漏极扩散区。
接着，如附图5e所示，将自对准硅化物金属层107沉积在包括栅极103的半导体衬底101的整个表面上。
金属层107包括从钛(Ti)、钽(Ta)、镍(Ni)、钴(Co)中选择的一种，其可以和半导体衬底101反应而转化为硅化物。可选地，包括TiN或TaN的金属阻挡层108可形成于金属层107上。
在这种情况下，金属阻挡层108的厚度约为200至2000_。
接着，如附图5f所示，对形成有金属层107的半导体衬底101执行第一退火处理。所述第一退火处理在大约500℃的温度上进行30秒。结果，在栅极103和光电二极管区105上形成金属硅化物层109。
此后，将第二光刻胶膜110涂敷到半导体衬底101上。所述第二光刻胶膜110通过曝光和显影处理选择性地构图。
接着，通过将构图后的第二光刻胶膜110用作蚀刻掩模来选择性地移除不与形成有栅极103和光电二极管区105的半导体衬底101发生反应的金属阻挡层108和金属层107。
此时，被第二光刻胶膜110覆盖的金属阻挡层108和金属层107没有被移除，保留在半导体衬底101上。金属阻挡层108和金属层107的保留部分做为导电连接线将栅极103和光电二极管区105电连接。
然后，如附图5g所示，第二光刻胶膜110被移除，接着对半导体衬底101执行第二退火处理。所述第二退火处理在大约750℃的条件下持续60秒。结果，金属硅化物层109被稳定。
接着，在半导体衬底101的整个表面上形成电介质层11。
虽然本发明参照其特定优选实施例予以展示和描述，但本领域技术人员可以理解，在不背离如权利要求定义的本发明的主旨和范围的情况下，在形式上和细节上可以作出各种变化。
如上所述，根据本发明的CMOS图像传感器及其制造方法具有下述优点。
第一，光电二极管通过自对准硅化物金属层直接连接到栅极，而没有用特定的连接介质，这样CMOS图像传感器的制造工艺和结构得到了简化。因此，可以提高象素设计余量，从而缩小象素尺寸。

Claims (8)

1.一种包括一个光电二极管和多个晶体管的CMOS图像传感器，该CMOS图像传感器包括：
形成于半导体衬底的绝缘区上的绝缘层，所述半导体衬底上定义了有源区和绝缘区；
延伸并穿过有源区和绝缘层的一部分的栅极；
形成于半导体衬底的有源区的一部分上的光电二极管区；
形成于栅极两侧的绝缘侧壁；
形成于栅极的顶层表面和与栅极相邻的光电二级管区的表面的一部分上的金属硅化物层；
用于将栅极电连接到光电二极管区的金属层；以及
形成于包括金属层和金属硅化物层的半导体衬底的整个表面上的电介质层。
2.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中，还包括形成于金属层和金属硅化物层上的金属阻挡层。
3.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中，所述金属层包括由钛(Ti)、钽(Ta)、镍(Ni)和钴(Co)中选出的一种金属。
4.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中，所述金属阻挡层的厚度为200至2000_。
5.一种用于制造包括一个光电二极管和多个晶体管的CMOS图像传感器的方法，该方法包括以下步骤：
在半导体衬底的绝缘区上形成绝缘层，所述半导体衬底上定义了有源区和绝缘区；
通过在有源区和绝缘层之间插入栅极绝缘层，在有源区和绝缘层的一部分上形成栅极；
在半导体衬底的有源区的预定部分上形成光电二极管区；
在所述栅极的两侧形成绝缘侧壁；
在包括栅极的半导体衬底的整个表面上沉积金属层；
对半导体衬底进行退火处理，以在所述金属层、栅极和光电二极管区的交界上形成金属硅化物层；
选择性地蚀刻所述金属层除用于电连接栅极到光电二极管区的预定部分以外的部分；以及
在包括金属层和金属硅化物层的半导体衬底的整个表面上形成电介质层。
6.如权利要求5所述的方法，其中，还包括步骤：
在所述金属层上沉积金属阻挡层。
7.如权利要求5所述的方法，其中，所述金属层包括由钛(Ti)、钽(Ta)、镍(Ni)和钴(Co)中选出的一种金属。
8.如权利要求6所述的方法，其中，通过沉积厚度为200至2000_的TiN或者TaN形成所述金属阻挡层。
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