TW398078B - Manufacturing method of CMOS image sensor - Google Patents

Description

3 53 9tw‘M“/eC^ Λ7 ， H? 五、發明説明U ) ~ 本發明是有關於一種互補式金氧半導影像感測器 (CMOS image Sensor)的製造方法，且特別是有關於一 種用於CMOS影像感測器之多重離子植入（Muitipie

Implantations)的製造方法。 習知用於影像擷取之數位（Digital)感測器常使用電 荷耦合兀件（Charge Coupled Device; CCD )，其應用方面 包括監視器、攝影機、照像機等，然而CCD的成本昂貴，. 而且其體積無法有效縮小。爲了因應目前小型化體積、低 能量和低成本的要求，因此發展出一種CMOS光二極體 (Photo Diode)元件，以應用既有的半導體製程技術，來 降低生產的成本’並減小感測器的體積，而且CMOS又有 低能量的優點，因此爲目前發展的趨勢。此種CMOS感光 二極體兀件更應用至PC照相機（PC Camera)、數位式 照相機（Digital Camera)等。 光二極體係利用P-N接合面（P-N Junction)，將光能 轉換爲電器信號的半導體受光元件（或稱爲光偵檢元 件）。當沒有光照射之狀態時，因爲P-N接合內部有電場 存在，N層中的電子或P層中的電洞，不會向相對層擴散。 當具有足夠能量的光入射時，因爲光能的激發而產生電子 -電洞對，兩者均擴散至接合部。當達到接合部後，由於所 存在之內部電場的作用，電子向N側且電洞向P側分離， 進而積蓄，使P-N接合電極間發生電流。理想上，光二極 體在黑暗之中的作用相當於開路（Open Circuit)，亦即沒< 有光電流的產生。 3 ' 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格"ΰίΟΧ297公ΪΊ " 一 - (請先閱讀背面之注意ί項再填寫本頁) -a Φ Ψ. 經濟部中央標隼局員工消费合作社印製 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 3 53 9tw^(^〇cf〇0^ /\ 7 _ — ___-一 五、發明説明（〉） 第1A圖係繪示CMOS影像感測器的電路圖。 目前最先進之CMOS影像感測器，已經由過去之被動 式圖素感測障列（Passive Pixel Sensor Array)，改進爲主 動式圖素感測陣列（Active Pixel Sensor Array) ’而具有 主動式圖素感測陣列胞（Cell)之CMOS影像感測器·的電 路圖如第1A圖所示，其至少包括三個電晶體QrQd〇 Q3 ’ 以及一個光二極體D，其中重置電晶體（Reset Transistor) Q,的閘極用以接收一重置信號A，列存取電晶體（R〇w Access Transistor ) Q3的閘極用以接收一列存取信號B，電 晶體（^和Q2的源極/汲極之一與電源電壓VDD相接’電晶 體Q3的源極/汲極之一則接往輸出端（Output)。此外’ 電晶體Q,和光二極體D則構成CMOS影像感測器的一個 感測胞（Sensor Cell) C，光二極體D係利用其P-N接合’ 將光能轉換爲電器信號，再將此電器信號傳到電晶體Q〆 第1B圖係繪示第1A圖中感測胞C部份的佈局圖。 請參照第1B圖，感測胞C係由電晶體Q,和光二極體 D所構成，電晶體（^包括形成於基底上之閘極結構106， 以及閘極結構106兩側之基底中的摻雜區，即源極/汲極 108, 118，而光二極體D則是與源極/汲極118相接，且形 成於基底中的另一摻雜區，即感測區128。 感測胞的特性與感測區之摻質的濃度、深度和輪廓 (profile)等皆有直接的關係，也就是說感測胞的特性與 感測區進行離子植入的劑量（Dose )、能量和涵蓋區域 (Area Coverage)都有關。 一般說來，感測胞特性與感測區的本質有關’而影響 4 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規,格（210X2^7公簸） ' (請先閱讀背面之注意事項存填寫本頁)

353 353 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 Λ7 H? 五、發明説明（巧） 感測胞特性的因素則包括： 1·漏電流（Leakage Current):在感測區鄰近場氧化 層的邊緣因爲缺陷存在，或是進行離子植入的損害而造成 漏電流現象。 2. 增益（Gain ):係由P-N接合面的空乏區（Depletion) 所決定。 3. 轉換速率（Slew Rate):係由P-N接合面的深度所 決定’即接合面的深度愈淺，則轉換速率愈快。 4. 一致性（Uniformity):與CMOS的製程、感測胞 和電晶體的參數（Parameters)有關。 5. 量子效率（Quantum Efficiency):係由 P-N 接合 面之空乏區中的少量載子（Minority Carrier)所決定。 第1C圖係繪示傳統式CMOS影像感測器的剖面示意 圖。 首先需於基底100中形成隔離區102以定義出後續欲 形成CMOS影像感測胞之主動區，例如場氧化層（Field Oxide ; FOX)之元件隔離結構，習知CMOS影像感測器 係以場氧化層做爲元件隔離結構，其方法係利用區轉氧化 法（Local Oxidation) ’而所提供之基底10〇例如是p型 矽基底，或是P型井（P-well)。 之後，於基底100上形成閘極氧化層1〇4，例如利用 A氧化法’接著在閘極氧化層104上形成一閘極結構1 〇6。 續以此閘極結構106爲罩幕，植入N型摻質於基底1〇〇中， 以开^成淡摻雜區。接著，於鬧極結構106兩側形成間隙壁‘ 122 ’再以閘極結構106和間隙壁122做爲罩幕，植入n 氏張尺度適用中關家縣（CNS ) Λ视格（210X297公雜 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

Λ7 H?

3 53 9i\v^docl〇〇S 五、發明説明（L ) 型摻質於基底100中，以形成濃摻雜區，其中淡摻雜區和 濃摻雜區形成具有輕摻雜汲極結構（Lightly Doped Drain ; XDD)之源極/汲極區108和118。 然後，再形成另一層光阻層（圖中未顯示），而暴露 出基底100中欲形成感測區的區域，進行濃度極小的、型 摻質之摻雜，例如以砷（As75)做爲摻雜離子，離子植入 的能量約爲 30KeV，離子植入的劑量約爲 lxl013/cm2〜5.0xl0l4/cm2 >於基底100中之源極/汲極區 118外側形成感測區128。 由於感測區128係爲P-N接合面，因此光線通過此感 測ψ 128時，會使此感測區128被激發產生電洞-電子對， 因&將光的訊號轉換成電流的訊號。 然而，由於習知之感測區128的形成，是在一次的離 子植入步驟中，植入低能量與高劑量的砷離子，以此種方 式形成之感測區，通常在場氧化區邊緣附近會發生漏電 流，而且P-N接合面的效能（Performance )不能達到最佳 化。 有鑑於此，本發明的主要目的就是在提供一種CMOS 影像感測器的製造方法，以同一光罩進行四次不同的離子 植入，而分別在源極/汲極區和場氧化層之間，且位於場氧 化層邊緣的基底部份形成F摻雜區；在源極/汲極區和場氧 化層之間，且靠近基底表面處形成N+摻雜區，即感測區； 於感測區正下方的基底中，形成N-摻雜區；在N_摻雜區正 下方的基底中，形成P_摻雜區。如此一來，除了可以解決 習知製程在場氧化區邊緣附近會發生漏電流的問題外，也 6 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁 0.

、1T 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（210X297公烧） 3539t wf\ti〇c/〇08 Λ' Η： 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（k ) 可以使CMOS影像感測器的效能達到最佳化。 根據本發明的主要目的，提出一種CMOS影像感測器 的製造方法，包括：提供具有隔離區和主動區之P型的基 底，主動區中已形成一閘極結構，且此閘極結構兩側下方 的基底中，已形成N+摻雜的源/汲極區。之後，進行四次 離子植入步驟，分別在隔離區邊緣和源/汲極區之間的基 底中，形成摻雜區；在隔離區和P·摻雜區之間，且靠近 基底表面處，形成N+摻雜區，即感測區；在N+摻雜區正 下方的基底中，形成N·摻雜區；以及在N·摻雜區 的基底中，形成另一 P-摻雜區。 爲讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優 顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式1 細說明如下： 圖式之簡單說明： 第1A圖係繪示CMOS影像感測器的電路圖； 第1B圖係繪示第1A圖中感測胞C部份的佈局圖」# 第1C圖係繪示傳統式CMOS影像感測器的剖面示思 圖；以及 土 第2A圖至第2C圖係繪示根據本發明之一較丨妾實也 例，一種CMOS影像感測器之製造流程的剖面示意圖° 圖式之標記說明： A 重置信號 B 列存取信號 C 感測胞 D 光二極體 7 _- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（210Χ297公釐） 3 539tw.f Λ7 五、發明説明（（） q,,q2，q3電晶體 vDD 電源電壓 100, 200 基底 102, 202 隔離區 102 104, 204 閘極氧化層 · 106, 206 閘極結構 108, 1 18, 208, 208a, 218, 218a 源極/汲極區 122 間隙壁 128, 228 感測區 226, 232 P_摻雜區 230 N·摻雜區 實施例 第2A圖至第2C圖係繪示根據本發明之一較佳實施 例，一種CMOS影像感測器之製造流程的剖面示意圖。 請參照第2A圖，於基底200中形成隔離區1〇2例如 場氧化層（FOX)之元件隔離結構，以定義出後續欲形成 CMOS影像感測胞之主動區，CMOS影像感測器係以場氧 化層做爲元件隔離結構，其方法係利用區域氧化法，而所 提供之基底200例如是P型矽基底，或是P型井（P-well)。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閱讀背而之注意事項再填寫本頁) tfr. 之後，於基底200的主動區上形成一閘極氧化層204， 例如以熱氧化法，並於閘極氧化層204上形成一閘極結構 2〇6，閘極結構2〇6包括先於閘極氧化層204上形成一摻 雜多晶矽層，續於摻雜多晶矽層上形成一矽化金屬層。閘 極結構206中的摻雜多晶矽層可以經由低壓化學氣相沉積 法（LPCVD)，於元件的表面上沉積一層摻雜多晶矽層以 8 , 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X29T公浇） 3 539t'vf<W。。？ 五、發明説明（〇 ) —— » 形成之。一般多晶砂層的摻雜係以砷或磷進行，其可於多 晶矽沈積時同時摻雜’亦可在多晶矽沉積結束後，再以離 子植入的方式進行摻雜。而閘極結構206中的砂化金屬 層’可以是矽化鎢、矽化鈦或矽化鉬。然後，以閘極結構 206爲罩幕，植入N型摻質於閘極結構206兩側下方的基 底200中，例如N型的砷離子或磷離子，以形成淡摻雜的 源極/汲極區域208, 218。 接著請參照第2B圖，於閘極結構206的側壁形成間 隙壁222，例如先以化學氣相沈積法（CVD)沈積的一層 氧化矽層或氮化矽層，且覆蓋閘極結構206的表面和側 壁，續進行非等向性蝕刻，回蝕此一氧化矽層或氮化矽 層，以暴露出淡摻雜的源極/汲極區域208, 218，並於閘極 結構206之側壁形成間隙壁222。再以閘極結構206和間 隙壁222做爲罩幕，植入N型摻質於間隙壁兩側下方的基 底200中，以形成濃摻雜區，其中淡摻雜區和濃摻雜區形 成具有輕摻雜汲極結構（LDD)之源極/汲極區208a和 218a。 ' 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 接著請參照第2C圖，在源極/汲極區218a和場氧化層 202之間，且位於場氧化層202邊緣的基底部份形成？_摻 雜區226 ;在源極/汲極區218a和P_摻雜區226之間，且 靠近基底表面處形成N+摻雜區，即感測區22S ;於感測區 228正下方的基底中，形成N_摻雜區230;在N_摻雜區23〇 正下方的基底中，形成參雜區232。 形成上述四個離子摻雜區之較佳方法，包括以一光罩 進行微影步驟’而在基底200上形成一層光阻層（圖中未 9 3 5 3 91 3 5 3 91 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（$ ) 顯示）’暴露出位於後續欲形成感測區228和場氧化層202 間之場氧化層202邊緣的區域，進行一離子植入步驟，以 形成P1參雜區226 ’例如以硼（B11)做爲摻雜離子，離子 植入的能量約爲30KeV ’離子植入的劑量約爲 lxl012/cm2〜5.0xl0l3/cm2。此一 P·摻雜區226存在於場氧化 層2〇2的邊緣，可以預防漏電流的發生。 之後，去除光阻層，續以同一光罩進行另一次微影步 驟，而在基底200上形成另一層光阻層（圖中未顯示）， 暴露出欲形成感測區228的區域，並進行一離子植入步 驟，以形成具有淺接面（Shallow Junction)的感測區228， 例如以砷（As75)做爲摻雜離子，離子植入的能量約爲 30KeV ’離子植入的劑量約爲lxl〇i3/cm2〜5.〇xl〇14/cm2。此 一感測區228具有低的片電阻（Sheet Resistance )，且又 因爲是淺接面的摻雜區，所以有較快的轉換速率。 接著’於感測區228正下方的基底中進行一離子植入 步驟’以形成N·摻雜區230 ’例如以磷（P3i)做爲摻雜離 子’離子植入的能量約爲50KeV，離子植入的劑量約爲 1乂1012/瞻2〜5.0\10|3/隱2。此一>«1_摻雜區230和感測區228 形成漸減的（Tapered)接合面輪廓，可以增加接合面的空 乏區，並且使增益達到最高。 然後，在N·摻雜區230正下方的基底中進行一離子植 入步驟’以形成P·摻雜區232 ’例如以硼（Βιι )做爲摻雜 離子’離子植入的能量約爲l〇〇KeV，離子植入的劑量約 爲lxl〇l2/cm2〜5.0xl013/cm2。此一 P·摻雜區232可以使背 景輪廓（Background Profile )能進一步地最佳化 10 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（210X 297公货） A7 B? 經濟部中央標準局買工消费合作社印製 3 5391 w-f 五、發明説明（彳） (Optimization )，而且也提供相反的輪廊（Retrograde Profile)以進一步減低電阻値。 綜上所述，本發明的特徵在於： 1.本發明提供一種用於CMOS影像感測器之多重離 子植入的製造方法，亦即以同一光罩進行四次不同时離子 植入，而分別在源極/汲極區和場氧化層之間’且位於場氧 化層邊緣的基底部份形成P·摻雜區；在源極/汲極區和場氧 化餍之間，且靠近基底表面處形成N+摻雜區，即感測區； 於感測區正下方的基底中，形成N_摻雜區；在N·摻雜區正 下方的基底中，形成P_摻雜區。如此一來，除了可以解決 習知製程在場氧化區邊緣附近會發生漏電流的問題外，也 可以使CMOS影像感測器的效能達到最佳化。 2·本發明的製程均與現有的製程相容，極適合廠商的 生產安排。 雖然本發明已以一較佳實施例揭露如上，然其並非用 以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精 神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保 護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者爲準。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

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Claims (1)

1. 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 罐364 23 p A8 1 3 5 39t\\^J〇C(〇°i B8 __§___ 六、申請專利範圍 1. 一種CMOS影像感測器的製造方法，包括下列步 驟： 提供第一導電型的一基底，該基底中具有一隔離區和 一主動區； 於該主動區中形成一閘極結構，且於該閘極結構南側 下方之該基底中，形成第二導電型之一淡摻雜源/汲極區； 於該閘極結構的側壁形成一間隙壁，且於該間隙壁兩 側下方之該基底中，形成第二導電型之一濃摻雜源/汲極 區，其中該淡摻雜源/汲極區和該濃摻雜源/汲極構成具有 輕摻雜汲極結構之一源極/汲極區； 進行一第一離子植入，於該隔離區和該源/汲極區之 間，且位於該隔離區邊緣的該基底中，形成第一導電型的 一第一離子摻雜區； 進行一第二離子植入，於該源極/汲極區和該第一離子 摻雜區之間，且靠近該基底表面處，形成第二導.電型的一 第二離子摻雜區； 進行一第三離子植入，於該第二離子摻雜區正下方的 該基底中，形成第二導電型的一第三離子摻雜區；以及 進行一第四離子植入，於該第三離子摻雜區正下方的 該基底中，形成第一導電型的一第四離子摻雜區。 2. 如申請專利範圍第1項所述之CMOS影像感測器的 製造方法，其中該隔離區包括場氧化層。 3. 如申請專利範圍第1項所述之CMOS影像感測器的* 製造方法，其中形成該閘極結構之前更包括於該基底上形 (.請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) © 訂. 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） Βδ C8 D8 __ ' ... —I 丨· 六、申請專利範圍 成一閘極氧化層。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 4. 如申請專利範圍第1項所述之CMOS影像感測器的 製造方法，其中該間隙壁的材質包括氧化矽和氮化矽其中 之一。 5. 如申請專利範圍第1項所述之CMOS影像感測器的 製造方法，其中該第一離子植入包括以硼（B11)做爲摻雜 離子，離子植入的能量約爲30KeV，離子植入的劑量約爲 lxl012/cm2〜5.0xl0l3/cm2，且該第一離子摻雜區係爲一P-摻雜區。 6. 如申請專利範圍第1項所述之CMOS影像感測器的 製造方法，其中該第二離子植入包括以砷（As75)做爲摻 雜離子，離子植入的能量約爲3〇KeV，離子植入的劑量約 爲lxl013/cm2〜5.0xl014/cm2,且該第二離子摻雜區係爲一 N+摻雜區。 7. 如申請專利範圍第1項所述之CMOS影像感測器的 製造方法，其中該第三離子植入包括以磷（P31)做爲摻雜 離子，離子植入的能量約爲5〇KeV，離子植入的劑量約爲 lxlOl2/cm2〜5.0xl0l3/cm2，且該第三離子摻雜區係爲〜处 摻雜區。 8. 如申請專利範圍第1項所述之CMOS影像感測器的 製造方法，其中該第四離子植入包括以硼（B11)做爲摻雜 離子，離子植入的能量約爲lOOKeV，離子植入的劑籩約 爲ixl012/cm2〜5.0xl0l3/cm2,且該第四離子摻雜區係舄〜 P-摻雜區。 9. 一種CMOS影像感測器的製造方法，包括下列步 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2!〇X297公釐） 3 539t 398078 A8 B8 C8 D8 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 申請專利範圍 驟： 提供第一導電型的一基底，該基底中具有一隔離區和 一主動區，該主動區中已形成一閘極結構，且於該閘極結 構兩側下方之該基底中，已形成第二導電型之一源/汲極 Τπ^ · 1〇π ， . 進行一第一離子植入，於該隔離區和該源/汲極區之 間，且位於該隔離區邊緣的該基底中，形成第一導電型的 一第一離子摻雜區； 進行一第二離子植入，於該源極/汲極區和該第一離子 摻雜區之間，且靠近該基底表面處，形成第二導電型的一 第二離子摻雜區； 進行一第三離子植入，於該第二離子摻雜區正下方的 該基底中，形成第二導電型的一第三離子摻雜區；以及 進行一第四離子植入，於該第三離子摻雜區正下方的 該基底中，形成第一導電型的一第四離子摻雜區。 10. 如申請專利範圍第9項所述之CMOS影像感測器的 製造方法，其中該隔離區包括場氧化層。 11. 如申請_專利範圍第9項所述之C Μ O S影像感測器的 製造方法，其中形成該閘極結構之前更包括於該基底上形 成一聞極氧化層。 12. 如申請專利範圍第9項所述之CMOS影像感測器的 製造方法，其中形成該源極/汲極區的方法包括： 於該閘極結構兩側下方之該基底中，形成第二導電型 之一淡摻雜源/汲極區； 14 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

   本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） A8 B8 C8 D8 398078 κ'申請專利範圍 於該閘極結構的側壁形成一間隙壁；以及 於該間隙壁兩側下方之該基底中，形成第二導電型之 〜濃摻雜源/汲極區’其中該淡摻雜源/汲極區和該濃摻雜 癲/汲極構成具有輕摻雜汲極結構之該源極/汲極區。 13. 如申請專利範圍第12項所述之CMOS影像感測器 旳製造方法’其中該間隙壁的材質包括氧化矽和氮化矽其 中之一。 、 14. 如申請專利範圍第9項所述之CMOS影像感測器的 製造方法，其中該第一離子植入包括以硼（B11)做爲摻雜 離子，離子植入的能量約爲_30艮6乂，離子植入的劑量約爲 lxlOl2/cm2〜5.0xl0n/cm2,且該第一離子摻雜區係爲—p- 摻雜區。 15.如申請專利範圍第9項所述之CMOS影像感測器的 製造方法，其中該第二離子植入包括以砷（As75)做爲摻 雜離子，離子植入的能量約爲30KeV，離子植入的劑量約 爲lxl013/cm2〜5.0xl014/cm2，且該第二離子摻雜區係爲— N+摻雜區。 1 6.如申請專利範圍第9項所述之.CMOS影像感測器的 製造方法，其中該第三離子植入包括以磷（P31)做爲摻雜 離子，離子植入的能量約爲50KeV，離子植入的劑量約爲 lxlOl2/cm2〜5.0xl0l3/cm2,且該第三離子摻雜區係爲一N· 摻雜區。 I7·如申請專利範圍第9項所述之CMOS影像感測器的 製造方法，其中該第四離子植入包括以硼（Bu)做爲摻雜‘ 離子，離子植入的能量約爲lOOKeV，離子植入的劑量約 15 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ot ------If----- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 蛵濟部中央榡準局員工消費合作社印製 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 3 53 9tw|^oc/,)li^ 398078 ll D8 六、申請專利範圍 爲lxl012/cm2〜5.0xl013/cm2,且該第四離子摻雜區係爲一 P·摻雜區。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ο 訂. 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）