CN1992309A - 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。该CMOS图像传感器包括：半导体衬底，其中限定有源区和器件隔离区；光电二极管区域，其形成于所述有源区中，并包括第一区域和第二区域，其中在所述第一区域中注入第一导电类型的杂质离子和第二导电类型的杂质离子，在所述第二区域中注入第一导电类型的杂质离子；以及晶体管区域，其形成于所述有源区，其中在所述晶体管区域中形成第一导电类型的杂质扩散区。
Description
技术领域
本发明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
通常，图像传感器是将光学图像转换为电信号的半导体器件。图像传感器通常分为电荷耦合器件(CCD)和CMOS图像传感器。CCD型图像传感器包括若干个MOS(金属氧化物半导体)电容器，其相互接近地排列，其中，电荷载流子在MOS电容器中转移或保存。
另一方面，CMOS图像传感器是使用开关模式的器件，以通过光电二极管依次检测输出，其中通过使用控制电路和信号处理电路的CMOS技术形成与像素数量相同的MOS电容器。
CCD有多种缺点，例如，驱动方式复杂，功耗大，由于许多掩模处理而不能在一个CCD芯片中实现信号处理电路，等等。当前，为了克服这些缺点，人们进行了大量研究，以使用亚微米CMOS的制造技术开发CMOS图像传感器。
CMOS图像传感器通过在像素单元内形成以开关模式检测信号的光电二极管和MOS晶体管，来获取图像。如上所述，由于CMOS图像传感器使用所述CMOS制造技术，因此CMOS图像传感器功耗小，并且单个制造过程需要大约20个掩模，而CCD制造过程需要30到40个掩模。因此，CMOS图像传感器能将信号处理电路集成到单个芯片中，所以，其目前广泛用于各种应用中，例如，数码照相机(DSC)，计算机(PC)相机，移动相机，等等。
另一方面，CMOS图像传感器根据晶体管的数目分为3T型，4T型和5T型。3T型CMOS图像传感器包括1个光电二极管和3个晶体管，4T型CMOS图像传感器包括1个光电二极管和4个晶体管。以下，将参考附图并根据现有技术说明3T型CMOS图像传感器。
图1是根据现有技术的3T型CMOS图像传感器的等效电路图。
如图1所示，根据现有技术的典型3T型CMOS图像传感器的像素单元包括1个光电二极管(PD)和3个NMOS晶体管T1，T2和T3。光电二极管的阴极连接到第一NMOS晶体管T1的漏极和第二NMOS晶体管T2的栅极。
进一步，第一和第二NMOS晶体管T1和T2的源极连接到提供参考电压的电源线，第一NMOS晶体管T1的栅极连接到提供复位信号的复位线。
此外，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出电路(未示出)。第三NMOS晶体管T3的栅极连接到提供选择信号SLCT的列选择线。
因此，第一NMOS晶体管T1为复位晶体管Rx，第二NMOS晶体管T2为驱动晶体管Dx。第三NMOS晶体管T3为选择晶体管Sx。
以下，将参考附图描述根据现有技术的CMOS图像传感器。
图2是根据现有技术的3T型CMOS图像传感器的像素单元的布局图。
如图2所示，在3T型CMOS图像传感器的像素单元中限定有源区10。在有源区10的较宽的部分处形成1个光电二极管20，以与有源区10的剩余部分交叠的方式在有源区10的剩余部分处形成3个晶体管的栅极30，40和50。
也就是说，复位晶体管Rx通过第一栅极30形成，驱动晶体管Dx通过第二栅极40形成，选择晶体管Sx通过第三栅极50形成。
这里，在每个晶体管的有源区中除了栅极30，40和50下部之外的剩余部分中注入杂质离子，以形成每个晶体管的源极/漏极区。
因此，电源电压Vdd施加到复位晶体管Rx和驱动晶体管Dx之间的源极/漏极区，并且在选择晶体管Sx一侧的源极/漏极区与读出电路连接。
尽管没有示出，栅极30，40和50连接到各信号线，并且各信号线通过在其一端包括焊盘(pad)而连接到外部驱动电路。
图3示出了根据现有技术的CMOS图像传感器的杂质注入区域的示意图。
如图3所示，将浓度高于1E15的N型离子注入到栅极30，40和50和除了光电二极管20区域之外的有源区10，形成高浓度N+型扩散区70。
如图3所示，为了形成用作光电二极管20区域的接触部(contact)的欧姆电阻器，将N+型杂质离子注入该区域中。在将高浓度N+型杂质离子注入到栅极30的过程中，由于掩模的误差，杂质离子可能会被部分地注入到光电二极管20区域中。
然而，在3T型结构的像素阵列中，为了形成用作接触部的欧姆电阻器，以相互连接驱动晶体管Dx和光电二极管区域20，需要注入足够数量的离子。与之相反，为了增加光电二极管的电容，需要注入最少数量的离子。因此，互补需求条件应当折衷。
发明内容
因此，本发明提供一种CMOS图像传感器及其制造方法，其充分地消除了由现有技术的局限和缺点产生的一个或多个问题。
本发明的目的是提供一种CMOS图像传感器及其制造方法，其通过改变形成于光电二极管区域的接触部的位置以防止由于高浓度注入而引起的电容减小，提高了图像传感器的光敏性。
关于本发明的其它优点，目的和特点，一方面将在以下说明中描述，另一方面所属领域的普通技术人员通过研究以下说明将会清楚，或可以从发明的实践中领会。通过在书面说明书、权利要求以及附图中特别指出的结构，可以实现和达到本发明的目的和其它优点。
为了达到这些目的和其它优点，根据本发明的意图，如在此具体化和广义描述的，根据本发明的一个方案提供一种CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器，包括：半导体衬底，其中限定有源区和器件隔离区；光电二极管区域，其形成于所述有源区中，并包括第一区域和第二区域，其中在所述第一区域中注入第一导电类型的杂质离子和第二导电类型的杂质离子，在所述第二区域中注入第一导电类型的杂质离子；以及晶体管区域，其形成于所述有源区，其中在所述晶体管区域中形成晶体管和第一导电类型的杂质扩散区)。
优选地，在上述CMOS图像传感器中，在所述第二区域形成接触部。
优选地，在上述CMOS图像传感器中，所述第一区域连接到所述第二区域和所述晶体管区域。
优选地，在上述CMOS图像传感器中，与所述第二区域相比，所述第一区域更接近所述晶体管的沟道部分。
优选地，在上述CMOS图像传感器中，所述第二区域与所述第一区域相邻形成，并且所述第二区域由所述器件隔离区围绕。
根据本发明的另一方案，提供一种CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器的制造方法，包括如下步骤：在半导体衬底上形成器件隔离层，以限定器件隔离区和有源区；在所述半导体衬底上形成栅极绝缘层和多晶硅层；选择性地去除所述多晶硅层和所述栅极绝缘层，以形成栅极；在所述有源区的光电二极管区域的第一区域中注入第一导电类型的杂质离子；在所述有源区的晶体管区域中和在所述有源区的光电二极管区域的第二区域中注入第一导电类型的杂质离子；以及在所述有源区的光电二极管区域的第二区域中注入第二导电类型的杂质离子。
优选地，在上述方法中，还包括如下步骤：在所述栅极的两侧形成侧壁绝缘层。
优选地，在上述方法中，通过热氧化处理或CVD方法形成所述栅极绝缘层。
优选地，在上述方法中，将杂质离子通过掩模的开口注入到所述第二区域中，以将所述杂质离子注入在所述晶体管区域的选择晶体管中。
优选地，在上述方法中，将杂质离子通过掩模的开口注入到所述第二区域中，以将所述杂质离子注入在所述晶体管区域的驱动晶体管中。
应当理解的是，前述的概括描述和下述的本发明的详细描述是示例性的和说明性的，旨在提供对权利要求要求保护的发明的进一步说明。
附图说明
附图示出本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。附图包括在本申请中并构成本申请的一部分，用以提供对本发明的进一步的理解。附图中：
图1是根据现有技术的3T型CMOS图像传感器的等效电路图；
图2是根据现有技术的3T型CMOS图像传感器的像素单元的布局图；
图3示出了根据现有技术的CMOS图像传感器的杂质注入区域图；
图4示出了根据本发明第一实施例的3T型CMOS图像传感器的像素单元的布局图；
图5示出了根据本发明第一实施例的CMOS图像传感器中，为了利用欧姆电阻器在光电二极管中形成接触部而进行的杂质离子注入的状态示意图；
图6示出了根据本发明第二实施例的3T型CMOS图像传感器的像素单元的布局图；
图7是示出了根据本发明第二实施例的CMOS图像传感器中，为了利用欧姆电阻器在光电二极管中形成接触部而进行的杂质离子注入的状态示意图；以及
图8A到图8E以结构横截面图示出根据本发明的CMOS图像传感器的制造方法。
具体实施方式
下面将详细说明本发明的优选实施例，其在附图中示出。，在全部附图中尽可能地使用相同的标号表示相同或相似的部件。
图4示出了根据本发明第一实施例的3T型CMOS图像传感器的像素单元的布局图。
如图4所示，光电二极管区域200形成于限定在半导体衬底中的有源区100。光电二极管区域200划分成第一突出区域210和第二突出区域220。以与有源区100的剩余部分交叠的方式在有源区100的剩余部分处形成3个晶体管的栅极120，130和140。
复位晶体管Rx通过第一栅极120形成，驱动晶体管Dx通过第二栅极130形成，选择晶体管Sx通过第三栅极140形成。
这里，在每个晶体管的除了栅极120，130和140下部之外的剩余部分有源区100中注入杂质离子，以形成每个晶体管的源极/漏极区。
并且，光电二极管区域200的第二突出区域220在邻近选择晶体管Sx处形成，并在第二突出区域220形成连接到驱动晶体管Dx的接触部。
此外，光电二极管区域200的第一突出区域210用作复位晶体管Rx的沟道形成部分。
因此，电源电压Vdd施加到复位晶体管Rx和驱动晶体管Dx之间的源极/漏极区，并且在选择晶体管Sx一侧的源极/漏极区与读出电路连接。
尽管没有在附图中示出，栅极120，130和140连接到各信号线，并且各信号线通过在其一端包括的焊盘而连接到外部驱动电路。
图5示出了根据本发明第一实施例的CMOS图像传感器中，为了利用欧姆电阻器在光电二极管中形成接触部而进行的杂质离子注入的状态示意图。
如图5所示，将浓度高于1E15的N型离子注入到栅极120、130和140的邻近的有源区100中和光电二极管区域200的第二突出区域220中，以在光电二极管区域200中利用欧姆电阻器形成接触部，从而形成高浓度N+型扩散区300。
即，形成于光电二极管区域200的第二突出区域220的高浓度N+型扩散区300在选择晶体管Sx的附近形成，其中部分高浓度N+型扩散区300与选择晶体管Sx的源极/漏极离子注入区重叠。
也就是说，杂质离子通过在选择晶体管Sx中用于注入杂质离子的掩模的开口，被注入到光电二极管区域200的第二突出区域220。
图6示出了根据本发明第二实施例的3T型CMOS图像传感器的像素单元的布局图。
如图6所示，在半导体衬底中限定有源区100。一个光电二极管区域200从有源区100突出，并被划分为第一突出区域210和第二突出区域220。以与有源区100的剩余部分交叠的方式在有源区100的剩余部分处形成3个晶体管的栅极120，130和140。
通过第一栅极120制成复位晶体管Rx，通过第二栅极130制成驱动晶体管Dx，通过第三栅极140制成选择晶体管Sx。
这里，在每个晶体管的除了栅极120，130和140下部之外的剩余部分有源区100中注入杂质离子，以形成每个晶体管的源极/漏极区。
并且，光电二极管区域200的第二突出区域220在接近驱动晶体管Dx处形成，并在第二突出区域220形成连接到驱动晶体管Dx的接触部。
此外，光电二极管区域200的第一突出区域210用作复位晶体管Rx的沟道形成部分。
因此，电源电压Vdd施加到复位晶体管Rx和驱动晶体管Dx之间的源极/漏极区。在选择晶体管Sx一侧的源极/漏极区与读出电路连接。
尽管没有在附图中示出，栅极120，130和140连接到各信号线，并且各信号线通过在其一端包括的焊盘而连接到外部驱动电路。
图7示出了根据本发明第二实施例的CMOS图像传感器中，为了利用欧姆电阻器在光电二极管中形成接触部而进行的杂质离子注入的状态示意图。
如图7所示，将浓度高于1E15的N型离子注入到栅极120，130和140的邻近的有源区100中和形成于驱动晶体管Dx附近的第二突出区域220中，以在光电二极管区域200中利用欧姆电阻器形成接触部，从而形成高浓度N+型扩散区300。
即，形成于光电二极管区域200的第二突出区域220的高浓度N+型扩散区300在驱动晶体管Dx的附近形成，其中部分高浓度N+型扩散区300与驱动晶体管Dx的源极/漏极离子注入区重叠。
也就是说，杂质离子通过在驱动晶体管Dx中用于注入杂质离子的掩模的开口，被注入到光电二极管区域200的第二突出区域220。
图8A到图8E以结构横截面图示出根据本发明的CMOS图像传感器制造方法。
如图8A所示，对高浓度P++型半导体衬底361进行外延处理，以形成低浓度P-型外延层362。
接下来，由有源区和器件隔离区限定半导体衬底361，并使用STI处理或LOCOS处理在器件隔离区中形成器件隔离层363。
进而，在其上形成有器件隔离层363的外延层362的整个表面上依次沉积栅极绝缘层364和导电层(例如，高浓度多晶硅层)。然后，将该导电层和栅极绝缘层364去除以形成栅极365。
如图8B所示，在半导体衬底361的整个表面上涂布第一光致抗蚀剂层366，并通过曝光和显影处理对其进行图案化，以暴露蓝，绿和红光光电二极管区域。
进而，使用图案化的第一光致抗蚀剂层366作为掩模，将低浓度N-型杂质离子注入到外延层362中，以形成蓝，绿和红光光电二极管区域367。
并且，每个光电二极管区域367用作复位晶体管Rx的源极区。
另一方面，当在每个光电二极管区域367和低浓度P-型外延层362之间施加反向偏压时，产生耗尽层。这里，当复位晶体管截止时，由光的接收而产生的电子减小了驱动晶体管的电位。进而减小了复位晶体管导通后的电位，从而产生电压差。通过电压差的信号处理来运行图像传感器。
这里，各个光电二极管区域367具有相同的深度，其值在2～3μm之间的范围内。
也就是说，杂质离子以相同的离子注入能注入到各个光电二极管区域367中，以使其具有相同深度。
如图8C所示，将第一光致抗蚀剂层366完全移除，并在半导体衬底361的整个表面上沉积绝缘层。接着，对所得到的结构进行回蚀刻处理，以在栅极365的两侧形成侧壁绝缘层368。
其后，在半导体衬底361的整个表面上涂布第二光致抗蚀剂层369，并通过曝光和显影处理对其进行图案化，以覆盖光电二极管区域而暴露每个晶体管的源极/漏极区和栅极364。
这里，第二光致抗蚀剂层369覆盖光电二极管区域367的第一突出区域。
此外，使用图案化的第二光致抗蚀剂层369作为掩模，将高浓度N+型杂质离子注入到暴露的源极/漏极区、和光电二极管区域367的第二突出区域和栅极364中，以形成N+型扩散区370。
如图8D所示，在去除第二光致抗蚀剂层369并在半导体衬底361的整个表面上涂布第三光致抗蚀剂层371之后，通过曝光和显影处理将所得的结构图案化，以暴露每个光电二极管区域367的第一突出区域。
接着，利用图案化的第三光致抗蚀剂层371作为掩模，将P0型杂质离子注入到其中形成有N-型扩散区的光电二极管区域367的第一突出区域，从而在半导体衬底的表面上形成P0型扩散区372。
这里，P0型扩散区372形成为具有在0.1μm以内的深度。
如图8E所示，去除第三光致抗蚀剂层371，在半导体衬底361中进行热处理，以使每个杂质扩散区扩散。
由上述说明显而易见，根据本发明的CMOS图像传感器具有以下效果。
即，在3T型CMOS图像传感器中，因为可以分别调节在光电二极管区域和在用于连接驱动晶体管的接触部形成位置注入的N型导电材料的浓度，所以防止了由于光电二极管区域中的高浓度杂质离子的注入而产生的电容减小，从而提高了图像传感器的光敏性。
显而易见，所属领域的技术人员可以对本发明做各种修改和变化。因此，应该认为本发明覆盖了落入所附权利要求及其等效方案范围内的所有修改和变化。
Claims (10)
1.一种CMOS图像传感器，包括：
半导体衬底，其中限定有源区和器件隔离区；
光电二极管区域，其形成于所述有源区中，并包括第一区域和第二区域，其中在所述第一区域中注入第一导电类型的杂质离子和第二导电类型的杂质离子，在所述第二区域中注入第一导电类型的杂质离子；以及
晶体管区域，其形成于所述有源区，其中在所述晶体管区域中形成晶体管和第一导电类型的杂质扩散区。
2.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中，在所述第二区域形成接触部。
3.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中，所述第一区域连接到所述第二区域和所述晶体管区域。
4.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中，与所述第二区域相比，所述第一区域更接近所述晶体管的沟道部分。
5.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中，所述第二区域与所述第一区域相邻形成，并且所述第二区域由所述器件隔离区围绕。
6.一种CMOS图像传感器的制造方法，包括如下步骤：
在半导体衬底上形成器件隔离层，以限定器件隔离区和有源区；
在所述半导体衬底上形成栅极绝缘层和多晶硅层；
选择性地去除所述多晶硅层和所述栅极绝缘层，以形成栅极；
在所述有源区的光电二极管区域的第一区域中注入第一导电类型的杂质离子；
在所述有源区的晶体管区域中和在所述有源区的光电二极管区域的第二区域中注入第一导电类型的杂质离子；以及
在所述有源区的光电二极管区域的所述第二区域中注入第二导电类型的杂质离子。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括如下步骤：
在所述栅极的两侧形成侧壁绝缘层。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，通过热氧化处理或化学气相沉积方法形成所述栅极绝缘层。
9.根据权利要求6所述的方法，其中，将杂质离子通过掩模的开口注入到所述第二区域中，以将所述杂质离子注入在所述晶体管区域的选择晶体管中。
10.根据权利要求6所述的方法，其中，将杂质离子通过掩模的开口注入到所述第二区域中，以将所述杂质离子注入在所述晶体管区域的驱动晶体管中。
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