CN1992302A - Cmos图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种CMOS图像传感器及其制造方法。该CMOS图像传感器包括：半导体衬底；光电二极管区和浮置扩散区，形成在所述半导体衬底上；晶体管，形成在所述光电二极管区与所述浮置扩散区之间；隔离层，形成在所述晶体管的下侧；以及沟道区，形成在所述晶体管与所述隔离层之间。
Description
技术领域
本发明涉及一种CMOS传感器及其制造方法。
背景技术
一般而言，图像传感器是用于将光学图像转换为电信号的半导体器件，并且主要分为电荷耦合器件(CCD)图像传感器和CMOS图像传感器。
CCD具有多个光电二极管(PD)，这些光电二极管布置为矩阵的形式，以将光学信号转换为电信号。CCD包括：多个垂直电荷耦合器件(VCCD)，这些垂直电荷耦合器件设置在垂直布置于矩阵中的光电二极管之间，从而当各个光电二极管产生电荷时，沿垂直方向传输这些电荷；多个水平电荷耦合器件(HCCD)，用于沿水平方向传输由多个VCCD已传输的电荷；以及感测放大器，通过感测沿水平方向传输的电荷，输出电信号。
然而，这种CCD有很多缺点，例如驱动模式复杂，功耗高等等。另外，这种CCD需要多个步骤的光刻工艺，所以对于CCD的制造工艺比较复杂。
此外，因为难以将控制器、信号处理器以及模拟/数字转换器(A/D转换器)集成在单个CCD芯片上，所以这种CCD不适用于紧凑型产品。
近来，作为能够解决上述CCD问题的下一代图像传感器，CMOS图像传感器受到瞩目。
CMOS图像传感器是一种利用多个MOS晶体管和切换模式连续检测各单元像素输出的器件，其中，该MOS晶体管与该单元像素对应，通过使用外围器件(例如控制器以及信号处理器)的CMOS技术，形成在半导体衬底上。
也就是说，CMOS图像传感器在各单元像素中包括PD和MOS晶体管，并且以切换模式，通过MOS晶体管连续检测各单元像素的电信号，从而获得图像。
因为CMOS图像传感器使用CMOS技术，所以它具有多个优点，例如功耗低，光刻工艺步骤相对较少的较简单的制造工艺。
此外，因为控制器、信号处理器以及A/D转换器可集成在单个CMOS图像传感器芯片上，所以CMOS图像传感器可使得产品的尺寸紧凑。
因此，CMOS图像传感器广泛用于各种应用，例如数码相机、数码摄像机等等。
同时，根据晶体管的数目，CMOS图像传感器分为3T、4T以及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，而4T型CMOS图像传感器包括一个光电二极管和四个晶体管。
以下，将描述4T型CMOS图像传感器的单元像素的布局。
图1为根据现有技术的4T型CMOS图像传感器的等效电路图，图2为示出根据现有技术的4T型CMOS图像传感器的单元像素的布局示意图。
如图1所示，CMOS图像传感器的单元像素100包括：光电二极管10和四个晶体管，其中光电二极管10用作光电转换部分。
四个晶体管分别为转移、复位、驱动以及选择晶体管20、30、40以及50。此外，负载晶体管60电连接至各单元像素100的输出端子OUT。
附图标记FD表示浮置扩散区，附图标记Tx、Rx、Dx以及Sx分别表示转移、复位、驱动以及选择晶体管20、30、40以及50的栅极电压。
如图2所示，4T型CMOS图像传感器的单元像素具有在其中限定的有源区，以及在除了有源区之外的预定区上形成隔离层。一个光电二极管PD形成在有源区的较宽区域上，四个晶体管的栅极23、33、43以及53与有源区的剩余区域交叠。
也就是说，第一栅极23与转移晶体管20合并，第二栅极33与复位晶体管30合并，第三栅极43与驱动晶体管40合并，第四栅极53与选择晶体管50合并。
将掺杂剂注入除了各晶体管的栅极23、33、43以及53的下部之外的有源区，从而形成晶体管的源极/漏极(S/D)区。
图3A至图3C为沿图2的I-I’线提取的剖视图，并示出根据现有技术的CMOS图像传感器的制造过程。
如图3A所示，通过外延工艺，在高密度P型半导体衬底61上形成低密度P型外延层62。
随后，在半导体衬底61上限定有源区和隔离区，并通过STI工艺在隔离区形成隔离层63。
另外，在外延层62的整个表面上依次沉积绝缘层和导电层(例如，高密度多晶硅层)，其中，外延层62上形成有隔离层63。然后，选择性地去除导电层以及绝缘层，从而形成栅极65以及栅极绝缘层64。
之后，如图3B所示，在半导体衬底61的整个表面上涂覆第一光致抗蚀剂膜，然后，通过曝光和显影工艺对第一光致抗蚀剂膜进行图案化，使得能够暴露出蓝色、绿色和红色光电二极管区。
另外，利用已图案化的第一光致抗蚀剂膜作为掩模，将低密度N型掺杂剂注入外延层62，从而形成低密度N型扩散区67，作为蓝色、绿色和红色光电二极管区。
随后，将第一光致抗蚀剂全部去除，在半导体衬底61的整个表面上沉积绝缘层，并对所得到的结构进行回蚀工艺，从而在栅极65的两侧形成间隔件68。
之后，在半导体衬底61的整个表面上涂覆第二光致抗蚀剂膜，并通过曝光和显影工艺对第二光致抗蚀剂膜进行图案化，从而覆盖光电二极管区，并暴露出各晶体管的源极/漏极区。
接着，利用已图案化的第二光致抗蚀剂膜作为掩模，将高密度N型掺杂剂注入已暴露的源极/漏极区，从而形成N型扩散区(浮置扩散区)70。
之后，如图3C所示，去除第二光致抗蚀剂膜，并在半导体衬底61的整个表面上涂覆第三光致抗蚀剂膜。在这种状态下，对第三光致抗蚀剂膜进行曝光和显影工艺，从而将第三光致抗蚀剂膜图案化，以暴露出各光电二极管区。
接着，利用已图案化的第三光致抗蚀剂膜作为掩模，将P型掺杂剂注入具有N型扩散区67的光电二极管区，从而在半导体衬底的表面上形成P型扩散区72。之后，去除第三光致抗蚀剂膜，并对半导体衬底61进行热处理工艺，从而扩展各杂质扩散区。
将转移晶体管导通，以转移光电二极管区(也就是N型扩散区67)的电子，从而将电子存储在浮置区(也就是N型扩散区70)，其中电子通过光产生。
然而，由于形成在光电二极管区的N型扩散区67的损耗区的扩展，造成转移晶体管在N型扩散区70与低密度N型扩散区67之间的穿透(见标号76)，从而降低了CMOS图像传感器的特性。
发明内容
本发明的目的是提供一种CMOS图像传感器及其制造方法，能够改善CMOS图像传感器的光敏感度。
为了实现本发明的目的，提供一种CMOS图像传感器，包括：半导体衬底；光电二极管区和浮置扩散区，形成在所述半导体衬底上；晶体管，形成在所述光电二极管区与所述浮置扩散区之间；隔离层，形成在所述晶体管的下侧；以及沟道区，形成在所述晶体管与所述隔离层之间。
根据本发明的另一方案，还提供一种CMOS图像传感器的制造方法，该方法包括以下步骤：形成第一隔离层，所述第一隔离层在半导体衬底上限定有源区和隔离层，以及在所述有源区形成第二隔离层；通过去除一部分所述第二隔离层并填充导电层，形成沟道区；在所述沟道区的上侧形成栅极绝缘层和栅极；以及在所述沟道区的两侧形成光电二极管区和浮置扩散区。
附图说明
图1为示出根据现有技术的4T型CMOS图像传感器的等效电路图；
图2为示出根据现有技术的4T型CMOS图像传感器的单元像素的布局示意图；
图3A至图3C为示出根据现有技术的CMOS图像传感器的制造方法的剖视图；
图4A至图4E为示出根据本发明的CMOS图像传感器的制造方法的剖视图。
具体实施方式
以下，将参照附图描述根据本发明的CMOS传感器及其制造方法。
图4A至图4E为沿图2的I-I’线提取的剖视图，示出根据本发明的CMOS图像传感器的制造方法。
如图4A所示，对高密度P型半导体衬底161进行外延工艺，从而形成低密度P型外延层162。
接着，在半导体衬底161上限定有源区和隔离区后，通过浅沟槽隔离(STI)工艺在隔离区以及栅极区上形成第一隔离层163a以及第二隔离层163b。
之后，虽然在图中未示出，按如下步骤形成第一隔离层163a和第二隔离层163b：
首先，在半导体衬底上依次形成衬垫(pad)氧化物层、衬垫氮化物层以及正硅酸乙酯(TEOS)氧化物层。接着，在TEOS氧化物层上形成光致抗蚀剂膜。之后，利用限定了有源区和隔离区的掩模以及限定了栅极区的掩模，对光致抗蚀剂膜进行曝光和显影工艺，从而将光致抗蚀剂膜图案化。此时，将隔离区和栅极区的光致抗蚀剂膜去除。
接着，利用已图案化的光致抗蚀剂膜作为掩模，选择性地去除隔离区和栅极区的衬垫氧化物层、衬垫氮化物层以及TEOS氧化物层。
利用已图案化的衬垫氧化物层、衬垫氮化物层以及TEOS氧化物层作为掩模，将半导体衬底的隔离区和栅极区蚀刻至预定深度，从而形成沟槽。接着，将光致抗蚀剂膜全部去除。
接着，用绝缘材料填充沟槽，从而在沟槽中形成隔离层163a以及163b。之后，将衬垫氧化物层、衬垫氮化物层以及TEOS氧化物层去除。
第一隔离层163a形成在隔离区上，而第二隔离层163b形成在栅极区上。
此时，第一隔离层163a和第二隔离层163b中的至少一个可包括氧化物层，该氧化物层通过硅的局部氧化(LOCOS)工艺而部分地氧化。与STI工艺相比，LOCOS工艺可得到较低的应力，并减少由暗电流所带来的问题。
如图4B所示，在形成有隔离层的半导体衬底上涂覆光致抗蚀剂膜，并将具有预定图案的光掩模排列在光致抗蚀剂膜的上部。之后，通过向光掩模照射光线，进行曝光工艺，然后对所得到的结构进行显影工艺，从而将光致抗蚀剂膜图案化。因此，形成暴露出第二隔离层163b的光致抗蚀剂图案。
利用光致抗蚀剂图案，对所得到的结构进行蚀刻工艺，从而去除第二隔离层的上部。这样就形成了沟槽148。
沟槽148形成为其宽度接近于之后将形成的栅极的宽度。
之后，如图4C所示，在形成有沟槽148的半导体衬底161的整个表面上形成例如多晶硅层的导电层后，进行例如CMP工艺的平面化工艺，直到暴露出半导体衬底161，使得导电层150仅埋置在沟槽148中。
之后，对埋置的导电层150进行离子注入工艺，从而形成掺杂导电层150。掺杂导电层150被限定为之后将形成的晶体管的沟道区。
之后，如图4D所示，在形成有第一隔离层163a和第二隔离层163b的外延层162的整个表面上依次沉积栅极绝缘层164以及导电层，例如多晶硅层165。
在这种情况下，可通过热氧化工艺或化学气相沉积(CVD)方案形成栅极绝缘层164。
接着，选择性地去除导电层和栅极绝缘层164，从而形成栅极165。
如图4E所示，在形成有栅极165和栅极绝缘层164的半导体衬底的整个表面上涂覆光致抗蚀剂膜，并通过曝光和显影工艺对光致抗蚀剂膜进行选择性地图案化，以暴露出各光电二极管区。接着，利用已图案化的光致抗蚀剂膜作为掩模，将低密度导电型(N型)掺杂剂注入外延层162，从而在光电二极管区形成N型扩散区167。
之后，在去除了光致抗蚀剂膜，并且在包括扩散区167的半导体衬底161的整个表面上形成绝缘层后，对所得到的结构的整个表面进行回蚀工艺，从而在栅极165b的两侧形成间隔件168。
之后，在包括间隔件168的半导体衬底161的整个表面上涂覆光致抗蚀剂膜后，进行曝光和显影工艺，从而将光致抗蚀剂膜图案化，使得光致抗蚀剂膜在覆盖各光电二极管区的同时，暴露出各晶体管的源极/漏极区(在此为浮置扩散区)。
此外，利用已图案化的光致抗蚀剂膜作为掩模，将高密度第二导电型(N型)掺杂剂注入已暴露的源极/漏极区，从而形成N型扩散区(浮置扩散区)170。
然后，去除光致抗蚀剂膜。接着，在半导体衬底161的整个表面上涂覆光致抗蚀剂膜，然后通过曝光和显影工艺对光致抗蚀剂膜进行图案化，使得暴露出各光电二极管区。之后，利用已图案化的光致抗蚀剂膜作为掩模，将第一导电型(P型)掺杂剂注入形成有N型扩散区167的外延层162，从而在外延层162的表面上形成P型扩散区172。
去除光致抗蚀剂膜，并对半导体衬底161进行热处理工艺，从而使各杂质扩散区扩散。
此时，虽然形成在光电二极管区的N型扩散区167的损耗区174被扩展，但是通过第二隔离层163b防止在转移晶体管的N型扩散区170与低密度N型扩散区167之间发生穿透。
之后，虽然在图中未示出如下过程，在所得到的结构的整个表面上形成具有多个层间介电层的金属互连，然后形成滤色层和微透镜，从而形成图像传感器。
如上所述，根据本发明，在光电二极管区与转移晶体管之间形成第二隔离层，从而可防止在转移晶体管中形成的杂质区与光电二极管区之间的穿透。因此，可防止在该晶体管导通之前，光电二极管中通过光产生的电子脱离光电二极管，可改善图像传感器的敏感度，可提高图像传感器的低发光特性，并且可减少在该晶体管导通之前产生的暗电流。
Claims (13)
1.一种CMOS图像传感器，包括：
半导体衬底；
光电二极管区和浮置扩散区，形成在所述半导体衬底上；
晶体管，形成在所述光电二极管区与所述浮置扩散区之间；
隔离层，形成在所述晶体管的下侧；以及
沟道区，形成在所述晶体管与所述隔离层之间。
2.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中，所述半导体衬底形成有第一导电型低密度外延层。
3.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中，所述光电二极管区包括：第二导电型低密度扩散区和第一导电型高密度扩散区，所述第一导电型高密度扩散区形成在所述第二导电型低密度扩散区中。
4.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中，所述浮置扩散区包括第二导电型高密度扩散区。
5.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中，所述隔离层包括埋置在沟槽内的绝缘材料。
6.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中，所述隔离层包括通过硅的局部氧化工艺形成的氧化物层。
7.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中，所述沟道区包括埋置在沟槽内的导电层。
8.一种CMOS图像传感器的制造方法，该方法包括以下步骤：
在半导体衬底上形成限定有源区和隔离层的第一隔离层，以及在所述有源区形成第二隔离层；
通过去除一部分所述第二隔离层并填充导电层，形成沟道区；
在所述沟道区的上侧形成栅极绝缘层和栅极；以及
在所述沟道区的两侧形成光电二极管区和浮置扩散区。
9.如权利要求8所述的方法，其中形成光电二极管区的步骤包括以下步骤：
在所述沟道区的第一侧形成第二导电型低密度扩散区；以及
在所述第二导电型低密度扩散区的表面上形成第一导电型扩散区。
10.如权利要求8所述的方法，其中形成浮置扩散区的步骤还包括在所述沟道区的第二侧形成第二导电型扩散区的步骤。
11.如权利要求8所述的方法，还包括在所述栅极的两侧形成间隔件的步骤。
12.如权利要求8所述的方法，其中形成第二隔离层的步骤包括以下步骤：
在所述有源区中形成沟槽；以及
用绝缘材料填充所述沟槽。
13.如权利要求8所述的方法，其中形成第二隔离层的步骤还包括通过氧化一部分所述有源区形成氧化物层的步骤。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20070704 |