CN1992320A - Cmos图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种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，其内限定有光电二极管区和晶体管区；第一栅电极和第二栅电极，该第一栅电极和该第二栅电极形成于该半导体衬底的光电二极管区上，且栅绝缘层夹在该半导体衬底的光电二极管区与该第一栅电极和该第二栅电极之间，并且该第一栅电极和该第二栅电极彼此之间具有预定间隔；第一导电型扩散区，其形成于该第一栅电极的两侧的光电二极管区以及该第二栅电极的两侧的光电二极管区中；侧壁绝缘层，其形成于该第一栅电极的两侧面和该第二栅电极的两侧面上；以及浮置扩散区，其形成于该晶体管区中。
Description
技术领域
本发明涉及一种互补型金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。
背景技术
一般来说，图像传感器是一种将光学图像转换为电信号的半导体器件。该图像传感器分成电荷耦合器件(CCD)和CMOS图像传感器。
CCD包括多个光电二极管(PD)、多个竖直电荷耦合器件(VCCD)、水平电荷耦合器件(HCCD)以及读出放大器。将光信号转换为电信号的PD以矩阵形式设置。多个VCCD竖直地形成于光电二极管之间，以沿竖直方向输送每一个光电二极管中产生的电荷。HCCD水平地输送从VCCD输送来的电荷。读出放大器读出沿水平方向输送的电荷，以输出电信号。
但是，CCD不仅驱动方法复杂、能量消耗高，并且需要多个光刻工艺。
另外，CMOS图像传感器难以将控制电路、信号处理电路和模/数转换电路(A/D转换)集成到电荷耦合器件的芯片中以使产品小型化。
现在，为了克服CCD的不足，CMOS图像传感器作为下一代图像传感器被广泛地使用。
在CMOS图像传感器中，通过使用CMOS技术在半导体衬底中形成数目与单位像素的数目相对应的MOS晶体管。在CMOS技术中，使用控制电路和信号处理电路作为外围电路。另外，CMOS图像传感器是使用切换(switching)方法的器件。在该切换方法中，MOS晶体管连续检测每一个单位像素的输出。
而且，CMOS图像传感器包括单位像素中的光电二极管和MOS晶体管，并且连续检测每一个单位像素的电信号以显示图像。
因为CMOS图像传感器使用CMOS技术，所以具有能量消耗低和光刻工艺数量少的优点。
另外，CMOS图像传感器可以将控制电路、信号处理电路和模拟/数字转换电路集成到CMOS图像传感器的芯片中，从而容易实现产品的小型化。
再者，CMOS图像传感器广泛应用于诸如数码相机和数码摄像机之类的应用器件中。
同时，根据晶体管的数目，CMOS图像传感器分为3T-型、4T-型和5T-型CMOS图像传感器。4T-型CMOS图像传感器包括一个光电二极管和四个晶体管。
现将描述用于3T-型CMOS图像传感器中的单位像素的等效电路和布局。
图1为示出现有技术的4T-型图像传感器的等效电路图，图2为示出现有技术的4T-型图像传感器的单位像素的布局。
参考图1，CMOS图像传感器的单位像素100包括四个晶体管和一个作为接收器的光电二极管10。
四个晶体管分别为转移晶体管20、复位晶体管30、驱动晶体管40和选择晶体管50。并且，单位像素100的输出端子OUT电连接至负载晶体管60。
附图标记FD(未示出)为浮置扩散区，附图标记Tx为转移晶体管20的栅极电压，附图标记Rx为复位晶体管30的栅极电压，附图标记Dx为驱动晶体管40的栅极电压，以及附图标记Sx为选择晶体管50的栅极电压。
参考图2，在现有技术的4T-型CMOS图像传感器的单位像素中，在半导体衬底上限定有源区，以在除了有源区之外的部分上形成器件隔离层。在有源区中具有很大宽度的部分内形成光电二极管PD，在有源区的其余部分中形成彼此交叠的四个晶体管的栅电极23、33、43和53。
也就是说，转移晶体管20由栅电极23形成，复位晶体管30由栅电极33形成，驱动晶体管40由栅电极43形成，选择晶体管50由栅电极53形成。
在此，将杂质离子注入每一个晶体管的有源区中除了各栅电极23、33、43和53的下部以外的部分中，以形成各晶体管的源极/漏极区域S/D。
图3为根据现有技术的CMOS图像传感器的剖视图。
参考图3，CMOS图像传感器包括：P-型外延层(EPI)62，其形成于P++型导电半导体衬底61上，该半导体衬底61分为器件隔离区以及具有光电二极管区和晶体管区的有源区；器件隔离层63，其形成于器件隔离区中，以限定半导体衬底61的有源区；栅电极65，其形成于半导体衬底61的有源区中，其中栅绝缘层64夹在半导体衬底61与栅电极65之间；低浓度n-型扩散区67，其形成于栅电极65一侧的光电二极管区中；侧壁绝缘层68，其形成于栅电极65的两侧表面上；高浓度n+型扩散区(浮置扩散区)69，其形成于栅电极65的另一侧的晶体管区中；以及P0型扩散区72，其形成于半导体衬底61的低浓度n-型扩散区67中。
图4a和图4b为示出根据现有技术依照CMOS图像传感器中转移晶体管的运行的电子流动的剖视图。
参考图4a，当导通信号(turn-on signal)施加至转移晶体管的栅电极65时，由低浓度n-型扩散区(光电二极管区PD)67中的光产生的电子被输送到高浓度n+型扩散区(浮置扩散区)69，如图4b所示。
但是，当根据光电二极管区或浮置扩散区的电容来入射定量的光时，浮置扩散区的电容饱和，从而停止了进一步的响应(response)。
在现有技术的CMOS图像传感器中，存在以下问题。
即，当根据光电二极管区或浮置扩散区的电容来入射定量的光时，浮置扩散区的电容饱和，从而停止了进一步的响应。
发明内容
因而，本发明旨在提供一种CMOS图像传感器及其制造方法，该CMOS图像传感器通过将转移晶体管的栅极形成为双栅极晶体管结构来扩大浮置扩散区的动态范围。
为了实现本发明的目的和其他优点，正如在此具体实施并广泛描述的，本发明提供一种CMOS图像传感器，其包括：半导体衬底，其内限定有光电二极管区和晶体管区；第一栅电极和第二栅电极，该第一栅电极和该第二栅电极形成于该半导体衬底的光电二极管区上，且栅绝缘层夹在该半导体衬底的光电二极管区与该第一栅电极和该第二栅电极之间，并且该第一栅电极和该第二栅电极彼此之间具有预定间隔；第一导电型扩散区，其形成于该光电二极管区的、位于该第一栅电极的两侧的部分中以及该光电二极管区的、位于该第二栅电极的两侧的部分中；侧壁绝缘层，其形成于该第一栅电极的两侧面和该第二栅电极的两侧面上；以及浮置扩散区，其形成于该晶体管区中。
在本发明的另一个方案中，提供一种制造CMOS图像传感器的方法，该方法包括以下步骤：形成其内限定有光电二极管区和晶体管区的半导体衬底；在该半导体衬底的光电二极管区上形成第一栅电极和第二栅电极，且将栅绝缘层夹在该半导体衬底的光电二极管区与该第一栅电极和该第二栅电极之间，并且该第一栅电极和该第二栅电极彼此之间具有预定间隔；在该第一栅电极的两侧的光电二极管区以及该第二栅电极的两侧的光电二极管区中形成第一导电型扩散区；在该第一栅电极的两侧面和该第二栅电极的两侧面上形成侧壁绝缘层；以及在该半导体衬底的晶体管区中形成浮置扩散区。
应当理解的是，本发明的以上概括性说明和以下的具体说明都是示范性和说明性的，并且旨在提供对所请求保护的本发明的进一步解释。
附图说明
所包含的附图提供了对本发明的进一步理解，其被并入到本申请中并构成本申请的一部分，所述的附图示出了本发明的实施例，并与文字描述一起用于解释本发明的原理。在附图中：
图1为示出现有技术的4T-型CMOS图像传感器的等效电路图；
图2为示出现有技术的4T-型CMOS图像传感器的单位像素的布局；
图3为根据现有技术的CMOS图像传感器的剖视图；
图4a和图4b为示出根据现有技术依照CMOS图像传感器中转移晶体管的运行的电子流动的剖视图；
图5a为示出根据本发明4T-型CMOS图像传感器的单位像素的布局；
图5b为沿图5a的VI-VI′线的CMOS图像传感器的剖视图；
图6a到图6f为示出根据本发明制造CMOS图像传感器的方法的剖视图；以及
图7为解释根据本发明CMOS图像传感器的运行的剖视图。
具体实施方式
现将详细参考本发明的优选实施例进行说明，其实例在附图中示出。尽可能地在所有附图中使用相同的附图标记表示相同或相似的部件。
在下文中，将参考附图详细描述根据本发明的CMOS图像传感器及其制造方法。
图5a为示出根据本发明4T-型CMOS图像传感器的单位像素的布局，图5b为沿图5a的VI-VI′线的CMOS图像传感器的剖视图。
参考图5a，在半导体衬底上限定有源区，并在除了有源区之外的部分上形成器件隔离层。在有源区中具有较大宽度的部分内形成一个光电二极管PD，并在有源区的其余部分中形成彼此交叠的四个晶体管的栅电极105、205、305和405。
即，转移晶体管由栅电极105形成，复位晶体管由栅电极205形成，驱动晶体管由栅电极305形成，选择晶体管由栅电极405形成。
在此，将杂质离子注入每一个晶体管的有源区中除了各栅电极105、205、305和405的下部以外的部分中，以形成各晶体管的源极/漏极区域S/D。
并且，转移晶体管的栅电极105在光电二极管区中形成为
形状。
参考图5b，CMOS图像传感器包括：P-型外延层102，其形成于P++型导电半导体衬底101上，该半导体衬底101分为器件隔离区以及具有光电二极管区和晶体管区的有源区；器件隔离层103，其形成于器件隔离区中，以限定半导体衬底101的有源区；栅绝缘层104，其夹在半导体衬底101的有源区与栅电极之间，以形成具有固定间隔的第一栅电极105a和第二栅电极105b；低浓度n-型扩散区107，其形成于第一栅电极105a和第二栅电极105b的一侧的光电二极管区中；侧壁绝缘层108，其形成于第一栅电极105a的两侧面和第二栅电极105b的两侧面上；高浓度n+型扩散区(浮置扩散区)110，其形成于第一栅电极105a和第二栅电极105b的另一侧的晶体管区中；以及P0型扩散区112，其形成于半导体衬底101的低浓度n-型扩散区107中。
这里，第一栅电极105a和第二栅电极105b的宽度(即沟道长度)互不相同。
并且，施加到第一栅电极105a和第二栅电极105b的电压可以根据光量互不相同。
也就是说，第一栅电极105a和第二栅电极105b之间仅有一个电极可以导通，或者所有电极均可以导通。当两个电极均导通时，以及当仅有一个电极导通时，输出信号互不相同。
并且，第一栅电极105a形成为覆盖在光电二极管区的一部分上，第二栅电极105b形成为穿过光电二极管区以越过(Gross)该光电二极管区。
图6a到图6f为示出根据本发明制造CMOS图像传感器的方法的剖视图。
参考图6a，使用外延工艺，在高浓度P++型半导体衬底101上形成低浓度P-型外延层102。
在半导体衬底101中限定有源区和器件隔离区。使用浅沟槽隔离(STI)工艺在器件隔离区中形成器件隔离层103。
尽管附图中没有示出，但将在下面描述用于形成器件隔离层103的方法。
首先，在半导体衬底101上依次形成焊盘氧化物层、焊盘氮化物层和正硅酸四乙脂(TEOS)氧化物层，并在TEOS氧化物层上形成光致抗蚀剂层。
通过曝光和显影工艺，使用限定有源区和器件隔离区的掩模将光致抗蚀剂层图案化。在此，去除器件隔离区的光致抗蚀剂层。
使用图案化的光致抗蚀剂层作为掩模，选择性地去除器件隔离区的焊盘氧化物层、焊盘氮化物层和TEOS氧化物层。
使用图案化的焊盘氧化物层、焊盘氮化物层和TEOS氧化物层作为掩模，将半导体衬底的、与器件隔离区相对应的部分蚀刻至预定深度，以形成沟槽。之后，将光致抗蚀剂层完全去除。
沟槽的内部填充绝缘材料，以形成器件隔离层103。之后，去除焊盘氧化物层、焊盘氮化物层和TEOS氧化物层。
参考图6b，在形成器件隔离层103的P-型外延层102的整个表面上依次沉积栅绝缘层104和诸如高浓度多晶硅层之类的导电层。
栅绝缘层104可以通过热氧化工艺或化学气相淀积(CVD)工艺形成。
并且，选择性地去除导电层和栅绝缘层104，以形成具有固定间隔的第一栅电极105a和第二栅电极105b。
当一致的导通/截止电压施加至第一栅电极105a和第二栅电极105b之后，第一栅电极105a和第二栅电极105b为转移晶体管的栅电极。
参考图6c，在包括第一栅电极105a和第二栅电极105b的半导体衬底101的整个表面上涂布第一光致抗蚀剂层106，然后通过曝光和显影工艺，选择性地图案化以露出每一个光电二极管区。
接下来，利用图案化的第一光致抗蚀剂层106作为掩模，将低浓度第二导电型(n-型)杂质离子注入到外延层102中，以形成n-型扩散区107。
参考图6d，去除第一光致抗蚀剂层106，然后在包括第一栅电极105a和第二栅电极105b的半导体衬底101的整个表面上形成绝缘层。之后，在绝缘层的整个表面上进行回蚀工艺，以在第一栅电极105a的两侧和第二栅电极105b的两侧均形成侧壁绝缘层108。
随后，在包括第一栅电极105a和第二栅电极105b的半导体衬底101的整个表面上涂布第二光致抗蚀剂层109，然后通过曝光和显影工艺进行图案化，以覆盖光电二极管区，并露出每一个晶体管的源极/漏极区。
之后，使用图案化的第二光致抗蚀剂层109作为掩模，将高浓度第二导电型(n+型)杂质离子注入到露出的源极/漏极区中，以形成n+型扩散区(浮置扩散区)110。
参考图6e，去除第二光致抗蚀剂层109。接下来，在半导体衬底101的整个表面上涂布第三光致抗蚀剂层111，然后通过曝光和显影工艺进行图案化，以露出每一个光电二极管区的一部分。
之后，使用图案化的第三光致抗蚀剂层111作为掩模，将第一导电型(P0型)杂质离子注入到形成n-型扩散区107的外延层102中，以在外延层102的表面的下方形成P0型扩散区112。
参考图6f，去除第三光致抗蚀剂层111，并在半导体衬底101上进行热处理以扩散每一个杂质扩散区。
在滤色层和微透镜形成以后，在半导体衬底101的整个表面上形成中间绝缘层的多个金属导线，以完成图像传感器的制造，这些工艺在附图中没有示出。
图7为解释根据本发明的CMOS图像传感器的运行的剖视图。
如图7所示，使用形成有互不相同的宽度的第一栅电极105a和第二栅电极105b将光电二极管区PD分成两个区域。这样，当入射少量的光时，第一栅电极105a和第二栅电极105b都导通，从而增加了待输送的电子的数目；并且当入射大量的光时，只有第一栅电极105a与第二栅电极105b之间的一个电极导通，从而减少了电子的数目。因此，通过改变所施加电压的放大率，可以分别提高少量光或大量光的响应性能(reaction characteristics)。
也就是说，在光量小的情况下，高电压施加到转移晶体管，以将导通电压施加至第一栅电极和第二栅电极，从而增加待输送到浮置扩散区FD的电子的数目。因此，可以提高响应少量光的敏感度(sensitivity)。
同样，在光量大的情况下，低电压施加到转移晶体管，以将导通电压仅施加至宽度相对较窄的第一栅电极105a，从而减少待输送到浮置扩散区FD的电子的数目，由此通过使浮置扩散区饱和而防止对更大量的光不敏感。
同时，在本发明的实施例中，第一栅电极105a的阈值电压为0.5V，第二栅电极105b的阈值电压为0.1V，从而具有沟道长度。
如上所述，根据本发明制造CMOS图像传感器的方法具有如下效果。
第一，转移晶体管的栅极形成为双栅极晶体管结构，从而增加了浮置扩散区响应光的动态范围，由此提高了图像传感器的工作性能。
第二，转移晶体管的栅极形成为双栅极晶体管结构，从而减少了从光电二极管到浮置扩散区的漏电流。
第三，通过增加浮置扩散区的工作范围和减少图像传感器的漏电流，扩大了使用图像传感器的范围。
本领域的技术人员应该清楚的是，可以对本发明进行多种修改和变型。因此，本发明旨在覆盖落入所附权利要求书及其等同范围内的本发明的所有修改和变型。
Claims (10)
1.一种互补型金属氧化物半导体图像传感器，其包括：
半导体衬底，其内限定有光电二极管区和晶体管区；
第一栅电极和第二栅电极，该第一栅电极和该第二栅电极形成于该半导体衬底的光电二极管区上，且栅绝缘层夹在该半导体衬底的光电二极管区与该第一栅电极和该第二栅电极之间，并且该第一栅电极和该第二栅电极彼此之间具有预定间隔；
第一导电型扩散区，其形成于该光电二极管区的、位于该第一栅电极的两侧的部分中以及该光电二极管区的、位于该第二栅电极的两侧的部分中；
侧壁绝缘层，其形成于该第一栅电极的两侧面和该第二栅电极的两侧面上；以及
浮置扩散区，其形成于该晶体管区中。
2.根据权利要求1所述的互补型金属氧化物半导体图像传感器，其中，该互补型金属氧化物半导体图像传感器还包括第二导电型扩散区，该第二导电型扩散区形成于具有该第一导电型扩散区的半导体衬底的表面内。
3.根据权利要求1所述的互补型金属氧化物半导体图像传感器，其中，该第一栅电极和该第二栅电极的宽度互不相同。
4.根据权利要求1所述的互补型金属氧化物半导体图像传感器，其中，该第一栅电极和该第二栅电极的下方的沟道长度互不相同。
5.根据权利要求1所述的互补型金属氧化物半导体图像传感器，其中，根据光量将互不相同的电压施加到该第一栅电极和该第二栅电极。
6.根据权利要求1所述的互补型金属氧化物半导体图像传感器，其中，该第一栅电极形成为覆盖在该光电二极管区的一部分上，该第二栅电极形成为穿过该光电二极管区以越过该光电二极管区。
7.一种CMOS图像传感器的制造方法，该方法包括以下步骤：
形成其内限定有光电二极管区和晶体管区的半导体衬底；
在该半导体衬底的光电二极管区上形成第一栅电极和第二栅电极，且将栅绝缘层夹在该半导体衬底的光电二极管区与该第一栅电极和该第二栅电极之间，并且该第一栅电极和该第二栅电极彼此之间具有预定间隔；
在该第一栅电极的两侧的光电二极管区以及该第二栅电极的两侧的光电二极管区中形成第一导电型扩散区；
在该第一栅电极的两侧面和该第二栅电极的两侧面上形成侧壁绝缘层；以及
在该半导体衬底的晶体管区中形成浮置扩散区。
8.根据权利要求7所述的制造方法，其中，该方法还包括在具有该第一导电型扩散区的半导体衬底的表面内形成第二导电型扩散区。
9.根据权利要求7所述的制造方法，其中，该第一栅电极和该第二栅电极的宽度互不相同。
10.根据权利要求7所述的制造方法，其中，该第一栅电极和该第二栅电极的下方的沟道长度互不相同。
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