CN1992214A - 用于制造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，包括步骤：在半导体衬底上形成栅极；在栅极一侧半导体衬底的表面形成光电二极管区；在栅极另一侧半导体衬底的表面形成LDD区；在半导体衬底整个表面上形成层间电介质层，再选择地去除层间电介质层而使其仅保留在光电二极管区上；对半导体衬底执行第一热处理工艺；在半导体衬底的整个表面上顺序形成第一绝缘层和第二绝缘层，其中第一绝缘层的蚀刻选择性与第二绝缘层的蚀刻选择性不同；在栅极两侧形成第二绝缘层侧壁；选择地去除光电二极管区之外的第一绝缘层；在栅极另一侧半导体衬底的表面形成高密度N型扩散区；在半导体衬底的整个表面上执行第二热处理工艺；在高密度N型扩散区的表面形成金属硅化物层。
Description
技术领域
本发明涉及用于制造CMOS图像传感器的方法。
背景技术
通常，图像传感器指用于将光学图像转换为电信号的半导体器件。在图像传感器中，电荷耦合器件(CCD)包括彼此非常接近的金属氧化硅(MOS)电容器和存储于并且从电容器转移的电荷载子。
CMOS图像传感器是通过使用诸如控制电路和信号处理电路这样的外围设备的CMOS技术，通过提供对应于多个像素的MOS晶体管使用开关模式来顺序检测输出的器件。
电荷耦合器件(CCD)具有多种缺点，例如复杂的驱动模式和高功耗。而且，CCD需要掩模工艺的许多步骤，所以用于CCD的工艺是复杂的，并且难以将信号处理电路整合到CCD的单一晶片上。最近，为了克服这些缺点，已经研究和开发了使用亚微米CMOS制造技术的CMOS图像传感器。
CMOS图像传感器在每个单元像素中包括光电二极管和MOS晶体管以通过开关模式来顺序检测信号，由此获得图像。由于CMOS图像传感器利用CMOS制造技术，CMOS图像传感器具有低功耗并且简化了其制造工艺。即，尽管CCD工艺需要30到40个掩模，CMOS传感器制造工艺却可使用大约20个掩模来完成。另外，许多信号处理器可以被整合到CMOS图像传感器的单一晶片上，因此CMOS图像传感器作为下一代图像传感器而受人瞩目。因此，CMOS图像传感器被用于多种应用，例如数码相机(DSC)、PC相机、手机相机等。
同时，CMOS图像传感器根据晶体管的数量被分为3T型、4T型，和5T型CMOS图像传感器。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，将描述3T型CMOS图像传感器的单元像素的布局。
图1示出传统3T型CMOS图像传感器的单元像素的布局图。
图1示出通用3T型CMOS图像传感器的单元像素的布局图。
如附图所示，3T型CMOS图像传感器的单元像素包括一个光电二极管PD和三个晶体管。
三个晶体管包括用于复位在光电二极管PD中采集的光学电荷的复位栅极Rx、用作源极跟随缓冲放大器的驱动栅极Dx、和执行开关和寻址功能的选择栅极Sx。
在这里，包括光电二极管PD的光电二极管区(A)是其中没有形成自对准硅化物(salicide)的区域，而不包括光电二极管区(A)的区域即逻辑区则是其中形成有自对准硅化物的区域。
在逻辑区中形成自对准硅化物的原因是减少电阻，由此提高晶体管Rx、Dx和Sx的速度。另外，在光电二极管区中不形成自对准硅化物是因为自对准硅化物反射光，这会干扰通过接收光来产生图像的光电二极管PD的功能。
图2示出沿图1中A-A’线所取的剖视图，示出光电二极管PD和复位栅极Rx。
如图2所示，通过在复位栅极3与半导体层1之间插入栅极绝缘层2，而在包括高密度P++半导体衬底和P-Epi层的半导体层1上形成复位栅极3，并且在位于复位栅极3的一侧的光电二极管区(A)中形成光电二极管掺杂区(在下文中称为“PDN”)。
另外，在位于复位栅极3的另一侧的半导体层1中形成N+扩散区5，并且在复位栅极3的两侧形成绝缘层侧壁6。另外，在位于绝缘层侧壁6的较低部分的半导体层1中形成LDD区7，这是在N+扩散区5的附近形成的。
如上所述，由于自对准硅化物层8一定不能在光电二极管区(A)中形成，而是仅仅在逻辑区、即除光电二极管区(A)之外的区域中形成，自对准硅化物层8不是在复位栅极3位于光电二极管区(A)中的那部分上形成的，并且自对准硅化物层8是在复位栅极3位于逻辑区中的那部分上和N+扩散区5上形成的。这里，参考编号9指的是绝缘层。
图3a到图3i为示出用于制造传统CMOS图像传感器的工艺的剖视图。
如图3a所示，相对于包括高密度第一导电(P++型)多晶体硅的半导体衬底100执行外延工艺，由此形成低密度第一导电(P-型)外延层101。
这里，外延层101扩大和加深光电二极管的耗尽区，因此增加用于采集光学电荷的低电压光电二极管的容量和光敏感度。
然后，在半导体衬底100上限定有源区和隔离区，并且执行STI工艺或者LOCOS工艺，由此在隔离区上形成隔离层102。
之后，将栅极绝缘层103和导电层顺序沉积在具有隔离层102的外延层101的整个表面上，并且选择性去除导电层和栅极绝缘层103，由此形成每个晶体管的栅极104。
然后，将第一光致抗蚀剂膜105涂覆在包括栅极104的半导体衬底100的整个表面上，然后执行曝光和显影工艺以便选择性地将第一光致抗蚀剂膜105上图案化，使得光电二极管区能够暴露出来。
此后，利用第一光致抗蚀剂膜105作为掩模，将低密度N-型掺杂物注入到暴露的光电二极管区，由此形成PDN区106。
如图3b所示，在完全去除第一光致抗蚀剂膜105之后，将第二光致抗蚀剂膜107涂覆在半导体衬底100的整个表面上，然后相对于第二光致抗蚀剂膜107执行曝光和显影工艺，使得晶体管区能够暴露出来。
此后，利用第二光致抗蚀剂膜107作为掩模，将低密度N-型掺杂物注入到外延层101中，由此形成LDD区108。
这里，PDN区106被形成得比LDD区108更深，因为掺杂物是以较高能量注入从而形成PDN区106的。
如图3c所示，在完全去除第二光致抗蚀剂膜107之后，在半导体衬底100的整个表面上形成厚度约为200的TEOS层109，并且在TEOS层109上形成氮化物层110。
如图3d所示，通过在氮化物层110的整个表面上执行回蚀工艺，在栅极104的两侧形成氮化物层侧壁110a。
如图3e所示，将第三光致抗蚀剂膜111涂覆在半导体衬底100的整个表面上，并且相对于第三光致抗蚀剂膜111执行曝光和显影工艺，使得第三光致抗蚀剂膜111仅仅保留在光电二极管区和隔离层102上。
此后，利用第三光致抗蚀剂膜111作为掩模，将高密度N+型掺杂物注入到暴露的源极/漏极区，由此形成高密度N+型扩散区112。
如图3f所示，在去除第三光致抗蚀剂膜111之后，执行热处理工艺(例如800℃或者更高温度的快速热处理)，由此在N-型扩散区106、低密度N-型扩散区108和高密度N+型扩散区112中扩散掺杂物。
然后，在半导体衬底100的整个表面上形成自对准硅化物阻挡层113。
如图3g所示，在自对准硅化物阻挡层113上涂覆第四光致抗蚀剂膜114之后，相对于第四光致抗蚀剂膜114执行曝光和显影工艺，使得以后能够限定其中形成有自对准硅化物的区域。
此后，利用第四光致抗蚀剂膜114作为掩模，选择性地去除自对准硅化物阻挡层113的暴露部分和TEOS层109，使得高密度N+型扩散区112的表面被暴露。
如图3h所示，在去除第四光致抗蚀剂膜114和在半导体衬底100的整个表面上沉积难熔金属层之后，执行热处理工艺，由此在高密度N+型扩散区112的表面上形成金属自对准硅化物层115。
然后，去除没有与半导体衬底100反应的那一部分难熔金属层。
如图3i所示，在半导体衬底100的整个表面上沉积氮化物层，以便形成扩散阻挡氮化物层116，然后在扩散阻挡氮化物层116上形成层间电介质层117。
此后，尽管未示出，之后在层间电介质层117上形成电力线、滤色层、微透镜等，由此形成CMOS图像传感器。
现在，用于制造CMOS图像传感器的通用方法使用尺寸范围为0.35μm到0.18μm的技术。
而且，因为晶片已经变得高度整合，现在，开发具有0.18μm或者更小尺寸的技术变得有竞争力。同时，在具有0.25μm或者更大尺寸的技术中热预算(thermal budget)严重受限。这种限制源于自对准硅化物的采用。在形成自对准硅化物之后，高温(800℃或者更高)工艺受到限制，因此难以去除导致暗电流的杂质。
同时，在传统方法中，与用以形成LDD区和光电二极管区的离子注入工艺有关的热处理工艺，以及在源极和漏极离子注入之后的热处理工艺，可以在800℃或更高温度下执行以便补偿晶格的损伤和激活工艺。但是，相对于层间电介质层117的热处理工艺的温度受到限制。
因此，为了使金属自对准硅化物层115变形和实现浅结，热处理工艺是在700℃或者更低温度下执行的。
同时，层间电介质层117可以包括基于BPSG的绝缘层，并且在制造图像传感器的工艺中，随着温度变高，针对与BPSG有关从而加强暗电流的杂质的吸附剂的作用变得更有效。但是，难以通过在上述温度下执行热处理工艺来实现这样的效果。
另外，在形成层间电介质层117之前，形成包括氮化物层的扩散阻挡层116，因此在缩小尺寸时，光电二极管区被减少，使得动态范围缩小。结果，光透射率降低，从而难以再现图像。
发明内容
因此，本发明旨在解决发生在当前技术中的上述问题。本发明的目的是提供一种用于制造CMOS图像传感器的方法，该方法能够通过执行与用以形成LDD区和光电二极管区的离子注入工艺有关的热处理工艺，和在源极和漏极离子注入之后的热处理工艺，来提高杂质吸附剂层的杂质吸收能力，从而防止暗电流，以便补偿晶格的损伤和激活工艺。
为了实现该目标，本发明提供了一种用于制造CMOS图像传感器的方法，该方法包括以下步骤：通过在其中插入栅极绝缘层，在半导体衬底上形成栅极；在位于栅极的一侧的半导体衬底的表面中形成光电二极管区；在位于栅极的另一侧的半导体衬底的表面中形成LDD区；在半导体衬底的整个表面上形成层间电介质层，然后选择地去除层间电介质层，使得层间电介质层仅仅保留在光电二极管区上；相对于半导体衬底执行第一热处理工艺；在半导体衬底的整个表面上顺序形成第一绝缘层和第二绝缘层，其中第一绝缘层的蚀刻选择性与第二绝缘层的蚀刻选择性不同；通过选择性蚀刻第二绝缘层在栅极的两侧形成第二绝缘层侧壁；选择地去除光电二极管区之外的第一绝缘层；在位于栅极的另一侧的半导体衬底的表面中形成高密度N型扩散区；在半导体衬底的整个表面上执行第二热处理工艺；以及在高密度N型扩散区的表面上形成金属硅化物层。
在上述方法中，第一绝缘层可包括氧化物层。
在上述方法中，第二绝缘层可包括氮化物层。
在上述方法中，所述氧化物层可包括热氧化层或者基于TEOS的氧化物层。
在上述方法中，所述层间电介质层可包括BPSG或者基于硅烷的绝缘层。
在上述方法中，所述层间电介质层的厚度范围可为400到3000。
在上述方法中，第一和第二热处理工艺可在800℃到1200℃温度范围条件下执行。
在上述方法中，执行第一热处理工艺的步骤还可包括形成厚度范围为20到100的热氧化层的步骤。
根据本发明，用于制造CMOS图像传感器的方法具有以下优点。第一，由于通过使用杂质吸附剂层和高温热处理工艺有效地去除杂质，所以能够减少暗电流。第二，由于在侧壁形成时，衬底的损伤可通过层间电介质层来防止，所以能够减少暗电流。第三，减少了暗电流由此改善了色再现，因此能够提高图像传感器的分辨率。
附图说明
图1为示出说明传统3T型CMOS图像传感器的单元像素的布局图。
图2为沿图1中A-A’线所取的剖视图，示出传统CMOS图像传感器。
图3a到图3i为示出用于制造传统CMOS图像传感器的工序的剖视图。
图4a到图4j为示出根据本发明制造CMOS图像传感器的工序的剖视图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述根据本发明用于制造CMOS图像传感器的方法。
图4a到图4j为示出根据本发明制造CMOS图像传感器的工艺的剖视图。
如图4a中所示，相对于包括高密度第一导电(P++型)多晶体硅的半导体衬底200执行外延工艺，由此形成低密度第一导电(P-型)外延层201。
这里，外延层201增大和加深光电二极管的耗尽区，由此增加用于采集光电荷的低电压光电二极管的光敏感度和容量。
然后，在半导体衬底200上限定光电二极管区、晶体管区和隔离区，并且执行STI工艺或者LOCOS工艺，由此在隔离区上形成隔离层202。
在那之后，栅极绝缘层203和导电层(例如高密度多晶体硅层)被顺序沉积在具有隔离层202的外延层201的整个表面上，并且选择性地去除导电层和栅极绝缘层203，由此形成各晶体管的栅极204。
这里，栅极绝缘层203可以通过热氧化工艺或者CVD工艺来形成，栅极可以通过在导电层上进一步形成自对准硅化物层来形成。
同时，热氧化层(未示出)可以通过在栅极204和半导体衬底200的表面上执行热氧化工艺来形成。
另外，可以将栅极204的宽度形成为比传统栅极的宽度更宽，以反映热氧化层的厚度的增加率。
然后，在包含栅极204的半导体衬底200的整个表面上涂覆第一光致抗蚀剂膜205，然后执行曝光和显影工艺以便将第一光致抗蚀剂膜105图案化，使得光电二极管区能够暴露出来。
此后，利用图案化的第一光致抗蚀剂膜205作为掩模，将低密度第二导电(N-型)掺杂物注入到暴露的光电二极管区，由此形成PDN区206。
如图4b所示，在完全去除第一光致抗蚀剂膜205之后，在半导体衬底200的整个表面上涂覆第二光致抗蚀剂膜207，然后相对于第二光致抗蚀剂膜207执行曝光和显影工艺，以便晶体管区能够暴露出来。
此后，通过使用第二光致抗蚀剂膜207作为掩模将低密度第二导电(N-型)杂质注入到外延层201，由此在晶体管区中形成LDD区208。
在这里，PDN区206被形成得比LDD区208更深，因为掺杂物是以更高能量注入从而形成PDN区206的。
如图4c所示，在完全去除第二光致抗蚀剂膜207之后，在半导体衬底200上形成第一层间电介质层209。
在这里，第一层间电介质层209是通过沉积BPSG或基于硅烷(SiH4)的绝缘层来形成的。
同时，考虑到对扩散阻挡氮化物层的过度蚀刻的工艺余量，将第一层间电介质层209形成为厚度在400到3000的范围中。
另外，当后面形成第二绝缘层侧壁时，第一层间电介质层209防止了衬底的损伤。并且，第一层间电介质层209用作杂质的吸附层，所以之后可通过执行高温热处理工艺来有效降低暗电流。
如图4d所示，在第一层间电介质层209上涂覆第三光致抗蚀剂膜210之后，相对于第三光致抗蚀剂膜210执行曝光和显影工艺，使得第三光致抗蚀剂膜210仅仅保持在光电二极管区上。
此后，利用第三光致抗蚀剂膜210作为掩模，选择性地去除第一层间电介质层209。
如图4e所示，在完成去除第三光致抗蚀剂膜210之后，通过化学蒸汽沉积工艺(低压化学蒸汽沉积工艺)等，在半导体衬底200的整个表面上顺序沉积第一绝缘层211和第二绝缘层212。在这种情况下，第一绝缘层211的蚀刻选择性是与第二绝缘层212的蚀刻选择性不同的。
这里，第一绝缘层211包括厚度约为200的氧化物层，并且第二绝缘层212包括氮化物层。
同时，氧化物层可以包括热氧化层或者基于TEOS的氧化物层。
如图4f所示，由于第一绝缘层211的蚀刻选择性与第二绝缘层212的蚀刻选择性不同，所以可通过在第二绝缘层212的整个表面上执行回蚀工艺，在栅极204的两侧形成第二绝缘层侧壁212a。
这里，可以蚀刻第二绝缘层212和第一绝缘层211的整个表面，以便形成第一和第二绝缘层侧壁。
如图4g所示，在半导体衬底涂覆第四光致抗蚀剂膜213之后，相对于第四光致抗蚀剂膜213执行曝光和显影工艺，使得第四光致抗蚀剂膜213保留在光电二极管区与隔离层202之间的边界上。
此后，利用第四光致抗蚀剂膜213作为掩模，选择性地蚀刻暴露的第一绝缘层211。
另外，将高密度第二导电(N+型)掺杂物注入到半导体衬底200上的晶体管区，由此形成高密度N+型扩散区214。
如图4h所示，在去除第四光致抗蚀剂膜213之后，在温度范围从800℃到1200℃的条件下相对于半导体衬底200执行热处理工艺(例如快速热处理)，由此在PDN区206、LDD区208和高密度N+型扩散区214中扩散掺杂物。
同时，第一热处理工艺可在PDN区206和LDD区208形成之后执行，第二热处理工艺可在高密度N+型扩散区214形成之后执行。
另外，当第一热处理工艺是在PDN区206和LDD区208形成之后执行时，在第一层间电介质层209被去除之后，在栅极207的表面上生长厚度范围为20到100的热氧化层(未示出)。
此后，在半导体衬底200的整个表面上沉积难熔金属层之后，执行热处理工艺，因此在高密度N+型扩散区214的表面上形成金属硅化物层215。
如图4i所示，在半导体衬底200的整个表面上形成扩散阻挡氮化物层216，并且在扩散阻挡氮化物层216上涂覆第五光致抗蚀剂膜217，然后相对于第五光致抗蚀剂膜217执行曝光和显影工艺，使得第五光致抗蚀剂膜217仅仅保留在光电二极管区之外的区域上。
此后，利用第五光致抗蚀剂膜217作为掩模，选择性地去除位于光电二极管区顶部上的这部分扩散阻挡氮化物层216。
如图4j所示，在去除第五光致抗蚀剂膜217之后，在半导体衬底200的整个表面上形成第二层间电介质层218。
在这里，第二层间电介质层218可包括基于硅烷的层间电介质层。在这种情况下，由于在层间电介质层中存在大量氢原子，半导体衬底200的悬键恢复，从而能够有效地减少暗电流。
另外，当根据本发明制造CMOS图像传感器时，在执行离子注入工艺从而形成LDD区和光电二极管区之后，可通过范围在800℃到1200℃的高温条件下执行热处理工艺，在衬底的表面上形成热氧化层。因此，当选择性地去除第一层间电介质层209时，暴露栅极204的损伤得到补偿，所以能够提高器件的可靠性。
同时，本领域技术人员应该了解，可以在本发明中进行多种修改和变化。因此，本发明旨在覆盖所属权利要求的范围内的修改和变化。
如上所述，根据本发明用于制造CMOS图像传感器的方法具有下面的优点。
第一，由于通过使用杂质吸附层和高温热处理工艺有效地去除了杂质，所以能够减少暗电流。
第二，由于在形成侧壁时，可通过层间电介质层避免衬底的损伤，所以能够减少暗电流。
第三，暗电流减少从而提高了色再现，所以能够提高图像传感器的分辨率。
Claims (8)
1.一种用于制造CMOS图像传感器的方法，所述方法包括以下步骤：
通过在其中插入栅极绝缘层，在半导体衬底上形成栅极；
在位于该栅极的一侧的所述半导体衬底的表面中形成光电二极管区；
在位于该栅极的另一侧的所述半导体衬底的表面中形成LDD区；
在所述半导体衬底的整个表面上形成层间电介质层，然后选择地去除该层间电介质层，使得该层间电介质层仅保留在所述光电二极管区上；
相对于所述半导体衬底执行第一热处理工艺；
在所述半导体衬底的整个表面上顺序形成第一绝缘层和第二绝缘层，其中第一绝缘层的蚀刻选择性是与第二绝缘层的蚀刻选择性不同的；
通过选择性蚀刻第二绝缘层，在所述栅极的两侧形成第二绝缘层侧壁；
选择地去除所述光电二极管区之外的第一绝缘层；
在位于所述栅极的另一侧的所述半导体衬底的表面中形成高密度N型扩散区；
在所述半导体衬底的整个表面上执行第二热处理工艺；以及
在所述高密度N型扩散区的表面上形成金属硅化物层。
2.根据权利要求1所述的方法，其中第一绝缘层包括氧化物层。
3.根据权利要求1所述的方法，其中第二绝缘层包括氮化物层。
4.根据权利要求2所述的方法，其中所述氧化物层包括热氧化层或者基于TEOS的氧化物层。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述层间电介质层包括BPSG或者基于硅烷的绝缘层。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述层间电介质层的厚度范围为400到3000。
7.根据权利要求1所述的方法，其中第一和第二热处理工艺是在800℃到1200℃温度范围条件下执行的。
8.根据权利要求1所述的方法，其中执行第一热处理工艺的步骤还包括形成厚度范围为20到100的热氧化层的步骤。
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