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CN1641884A - 互补金属氧化物半导体图像传感器及其制造方法 - Google Patents

互补金属氧化物半导体图像传感器及其制造方法 Download PDF

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CN1641884A CNA2004101026895A CN200410102689A CN1641884A CN 1641884 A CN1641884 A CN 1641884A CN A2004101026895 A CNA2004101026895 A CN A2004101026895A CN 200410102689 A CN200410102689 A CN 200410102689A CN 1641884 A CN1641884 A CN 1641884A
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DongbuAnam Semiconductor Inc
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Abstract

公开了一种CMOS图像传感器及其制造方法，其中在构成CMOS图像传感器的晶体管的栅电极之下的活性区与器件隔离膜之间的边界处由于杂质离子注入而导致的缺陷可以最小化。该CMOS图像传感器包括具有多个晶体管的第一导电型半导体衬底，覆盖晶体管的每个栅电极的活性区，靠近该活性区的器件隔离膜和在活性区与器件隔离膜之间形成的第一导电型重掺杂杂质离子区。

Description

互补金属氧化物半导体图像传感器及其制造方法
本申请要求2003年12月31日提交的韩国专利申请No.P2003-101552的优先权，该专利申请经引用并入本文。
技术领域
本发明涉及互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器及其制造方法，更具体地，本发明涉及其中在构成CMOS图像传感器的晶体管栅电极之下的活性区与器件隔离膜之间的边界处由于杂质离子注入而导致的缺陷可以最小化的CMOS图像传感器及其制造方法。
背景技术
一般来说，图像传感器是指将光信号转换成电信号的半导体器件。图像传感器分成电荷耦合器件(CCD)和互补MOS(CMOS)图像传感器。CCD转换并储存电荷载流子到电容器中，电容器的状态是各个MOS电容器相互靠近。CMOS图像传感器采用切换方式，其基于外围电路如控制电路和信号处理电路使用CMOS技术按像素数提供MOS晶体管并检测MOS晶体管的输出信号。
CCD有若干缺点。即CCD要求很大的功率消耗并且其驱动方式复杂。而且由于需要许多掩模(mask)处理步骤，不能在CCD芯片内实现信号处理电路。
为了解决这些缺点，最近已经进行了基于亚微米CMOS技术的CMOS图像传感器的研究。在CMOS图像传感器中，通过在单元像素内形成光电二极管和MOS晶体管并以切换方式检测信号来获得图像。在这种情况下，因为使用了CMOS技术，需要更少的功率消耗。而且由于需要20个掩模，处理步骤比CCD简单，CCD需要30至40个掩模。因此，信号处理电路可以集成在单一的芯片内。这使得小尺寸产品和该产品的各种应用成为可能。
现在参考图1和图2描述现有技术的CMOS图像传感器。图1和图2是说明现有技术CMOS图像传感器的单元像素结构的电路图和布置。尽管可以使用构成CMOS图像传感器的3个或更多的晶体管，但是为了方便起见，将描述基于3个晶体管的CMOS图像传感器。
如图1和图2所示，CMOS图像传感器的单元像素100包括光电二极管110和三个NMOS晶体管。光电二极管110作为传感器。在三个晶体管中，复位晶体管Rx 120转换在光电二极管110中产生的光电荷并将这些电荷放电以检测信号。另一个驱动晶体管Dx 130作为源跟随器。另一个选择晶体管Sx 140用于切换和寻址。
其间，在单元像素的图像传感器中，光电二极管110用作复位晶体管Rx 120的源以促进电荷转换。为此，制造单元像素的图像传感器的加工步骤包括轻或重注入杂质离子到包括某些光电二极管的区域中的步骤，如图2所示。
参考图3A至图3C描述制造与图2的A-A’线的部分相对应的单元像素的图像传感器的加工步骤。为了参考，图2的实线表示活性区160。
如图3A所示，栅绝缘膜122和栅电极123依次形成在P型半导体衬底P++-衬底101上，其中通过浅槽隔离(STI)法形成器件隔离膜121。在这种情况下，P型外延层P--外延可以预先形成在P型半导体衬底101中。随后，在半导体衬底101整个表面上沉积光刻胶薄膜。然后通过光刻法在栅电极123的一侧的漏极区上形成光刻胶图案124，以确定轻掺杂漏区(LDD)结构的轻掺杂杂质离子区。此时，栅电极不会被光刻胶图案124暴露。
在这种状态下，将轻掺杂的杂质离子，例如N型杂质离子注入到半导体衬底的整个表面中，在半导体衬底101中形成LDD结构的轻掺杂杂质离子区LDD n-。
随后，如图3B所示，形成另一个光刻胶图案125，以便使用光刻胶图案125作为离子注入掩模，形成光电二极管的轻掺杂杂质离子区n-。此时，轻掺杂的杂质离子区LDD n-不被光刻胶图案125暴露。
此后，如图3C所示，在栅电极123的侧壁处形成分隔物126，在N型杂质离子区n-上形成P型杂质离子区P0。因此，完成了形成光电二极管的加工步骤。在完成光电二极管的状态下，将重掺杂的杂质离子选择性地注入栅电极123的漏极区，形成重掺杂的杂质离子区n+。最后，完成对应于图2的A-A’线的部分的加工步骤。
在制造现有技术的CMOS图像传感器的方法中，将杂质离子注入到与图2的实线相对应的活性区若干次，以形成光电二极管和扩散区。在参照图2的B-B’线的截面注入杂质离子若干次的步骤中，在包括栅电极的半导体衬底上形成用于杂质离子注入的离子注入掩模127，其状态为栅绝缘膜和栅电极形成于半导体衬底的器件隔离膜和活性区上，其中活性区由器件隔离膜确定，如图4所示。离子注入掩模暴露活性区。注入杂质离子的步骤包括用于LDD结构的轻掺杂杂质离子注入(见图3A)，用于源和漏极区的重掺杂杂质离子注入(见图3C)，和用于光电二极管的杂质离子注入(见图3B)。
如上所述，在确定活性区之后，将杂质离子注入到活性区中。此时，由于离子注入，在活性区和靠近活性区的器件隔离膜之间的边界A上产生缺陷。由于离子注入产生的这种缺陷产生于构成CMOS图像传感器单元像素的全部晶体管的栅电极中。而且，该缺陷导致电子-空穴载流子并提供电子-空穴的复合区域，从而增大漏电流。
发明内容
因此，本发明涉及CMOS图像传感器及其制造方法，可以明显避免由于现有技术的局限性和缺点产生的一个或多个问题。
本发明的一个目的是提供一种CMOS图像传感器及其制造方法，其中在构成CMOS图像传感器的晶体管的栅电极之下的活性区与器件隔离膜之间的边界处由于杂质离子注入而导致的缺陷可以最小化。
本发明的其它优点、目的和特征部分在以下的说明书中阐述，在研究了下文后对于本领域技术人员将变得显而易见，或者可以从本发明的实践中了解。本发明的目的和其它优点可以通过在说明书及权利要求和附图中特别指出的结构实现。
为了实现这些目的和其它优点，并且根据本发明的目的，如本文所实施和概括描述的，CMOS图像传感器包括具有多个晶体管的第一导电型半导体衬底，覆盖晶体管每个栅电极的活性区，邻接活性区的器件隔离膜，和在活性区与器件隔离膜之间形成的第一导电型重掺杂杂质离子区。
另一方面，一种制造CMOS图像传感器的方法包括形成确定第一导电型半导体衬底上的活性区的器件隔离膜，形成暴露器件隔离膜的预定部分和活性区的预定部分的第一光刻胶图案，和通过向衬底整个表面中注入第一导电型重掺杂杂质离子而在暴露的衬底中形成第一导电型重掺杂杂质离子区。
优选地，在形成第一导电型重掺杂杂质离子后，该方法进一步包括在活性区和器件隔离膜上依次形成栅绝缘膜和栅电极，和形成第二光刻胶图案，以便不暴露形成器件隔离膜和第一导电型重掺杂杂质离子区的部分。
优选地，第一导电型重掺杂杂质离子区的宽度为200至400。
优选地，第一导电型重掺杂杂质离子区通过以1×1012至1×1015个离子/cm2的浓度注入离子形成。
优选地，第一导电型杂质离子为B离子或BF2离子。
优选地，被第一光刻胶图案暴露的器件隔离膜的宽度为50至2500。
优选地，被第二光刻胶图案暴露的区域是向其中注入第二导电型杂质离子以形成LDD结构的扩散区、源和漏区以及浮动扩散区之一的区域。
在根据本发明覆盖构成CMOS图像传感器的栅电极的活性区中，第一导电型重掺杂杂质离子区形成于每个栅电极之下的活性区和邻接活性区的器件隔离膜之间的边界处。在这种情况下，可以解决由于第二导电型杂质离子注入而在器件隔离膜与活性区之间的边界处导致诸如电子载流子的问题。
应当理解，本发明的以上一般描述和以下详细描述是示例性和解释性的，旨在提供本发明的进一步解释。
附图说明
用来提供本发明的进一步理解并且引入且构成本申请一部分的附图说明本发明的实施方案，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。在附图中：
图1是说明现有技术CMOS图像传感器的单元像素结构的电路图；
图2是说明现有技术CMOS图像传感器的单元像素的布置；
图3A至图3C是沿图2的A-A’线说明制造现有技术CMOS图像传感器的加工步骤的截面图；
图4是沿图2的B-B’线说明现有技术CMOS图像传感器的结构的截面图；
图5是说明根据本发明的CMOS图像传感器的单元像素的布置；
图6是沿图5的C-C’线的结构截面图；和
图7A至图7C是说明制造根据本发明的CMOS图像传感器的加工步骤的截面图。
具体实施方式
现在详细说明本发明的优选实施方案，其实施例在附图中表明。只要可能，在全部附图中使用相同的附图标记表示相同或类似的部件。
下文中，根据本发明的CMOS图像传感器及其制造方法将描述如下。
图5是说明根据本发明的CMOS图像传感器的单元像素的布置。如图5所示，由场效应区在单元像素的第一导电型半导体衬底上确定活性区。活性区对应于在图5中的实线内的区域。场效应区是指在其中形成器件隔离膜(未示出)并且与活性区之外的区域相对应的区域。布置复位晶体管Rx 120的栅电极、驱动器晶体管Dx 130的栅电极、和选择晶体管Sx 140的栅电极，来覆盖活性区的预定部分。被器件隔离膜包围的光电二极管在活性区的一侧形成。
在覆盖栅电极的活性区中，在每个栅电极之下的活性区与靠近活性区的器件隔离膜之间的边界处形成第一导电型重掺杂杂质离子区P+604。
覆盖栅电极并靠近栅电极的活性区对应于第二导电型杂质离子注入区，用于通过制造典型CMOS图像传感器的加工步骤形成LDD结构的扩散区、源和漏区、或者浮动扩散区。
下面将参见图6描述CMOS图像传感器沿图5的C-C’线的截面结构。图5的C-C’线表示形成复位晶体管的栅电极的部分的截面。应当注意，驱动晶体管的栅电极和选择晶体管的栅电极与复位晶体管的栅电极具有相同的截面结构。
如图6所示，在第一导电型半导体衬底601上，例如P++型单晶硅衬底，形成P-型外延层P--外延。在半导体衬底601的场效应区中形成器件隔离膜602，以确定半导体衬底601的活性区。器件隔离膜602通过STI法或硅的局部氧化(LOCOS)法形成。第一导电型重掺杂杂质离子区P+604形成在器件隔离膜602与活性区之间的边界处。第一导电型重掺杂杂质离子区P+604的宽度为200至400。
其中，如上所述，由器件隔离膜602确定的活性区对应于第二导电型杂质离子注入区，用于形成LDD结构的扩散区、源和漏区或者浮动扩散区。第一导电型重掺杂杂质离子区604捕获在器件隔离膜602与活性区之间的边界处由于离子注入产生的缺陷导致的电子载流子，并在第一导电型重掺杂杂质离子区中存在的电子载流子和空穴载流子之间提供复合区域。
下面将更详细描述根据本发明的制备上述CMOS图像传感器的方法。
如图7A所示，制备半导体衬底601，例如P型单晶硅衬底P++-衬底601。P-型外延层P--外延可以预先形成在半导体衬底601中。P-型外延层在光电二极管中深深地形成耗尽区，以便提高低压光电二极管收集光电荷的能力并改善光灵敏性。
随后，通过STI法或LOCOS法在半导体衬底601的场效应区中形成器件隔离膜602，以确定半导体衬底601的活性区。器件隔离膜602可以通过多挡板(polybuffer)LOCOS(PBL)法或隐藏式(LOCOS)(R-LOCOS)法形成。
在形成器件隔离膜602的状态下，如图7B所示，将光刻胶薄膜沉积在衬底601的整个表面上。通过光刻法选择性地使光刻胶薄膜图案化，形成光刻胶图案603。活性区和器件隔离膜602被光刻胶图案603部分暴露。也就是，其中活性区靠近器件隔离膜602的预定部分被光刻胶图案603暴露。被光刻胶图案603暴露的活性区的宽度为200至400，而被光刻胶膜603暴露的器件隔离膜602的宽度为50至2500。这些尺寸是考虑典型的光刻法曝光过程中所用的光源确定的。
更详细地，用于形成光刻胶图案的光刻法包括沉积、曝光、显影和分离。曝光过程作为光刻胶薄膜精细图案的主要因素。曝光过程是使用紫外光或DUV光作为光源将光照射在光刻胶薄膜的预定区域上。近来，随着半导体器件的高堆积密度，光源的波长逐渐减小。目前，广泛用作光源的I-线的波长为365nm。
在使用I-线作为光源使光刻胶膜图案化的情况下，由于诸如波长的宽度等一些因素，在原始设定的图案与所形成的光刻胶图案之间产生约0-15μm的偏差。
参考该技术基础，由光刻胶图案暴露的活性区和器件隔离膜602的宽度考虑在I-线中的曝光偏差来确定。
在形成光刻胶图案的情况下，将第一导电型重掺杂杂质离子注入到衬底601的整个表面中。此时，B离子或BF2离子可以用作第一导电型杂质离子，并且杂质离子优选按1×1012至1×1015个离子/cm2的浓度注入。第一导电型重掺杂杂质离子区在靠近器件隔离膜602的活性区的衬底601中通过离子注入形成。
其中，第一导电型杂质离子优选在注入第二导电型杂质离子之前注入，以便在活性区中形成LDD结构的扩散区、源和漏区或浮动扩散区。
在形成第一导电型杂质离子区的状态下，如图7C所示，依次在活性区和器件隔离膜602上形成栅绝缘膜605和栅电极606。在这种状态下，第二导电型杂质离子被注入衬底601的整个表面中。此时，器件隔离膜602或器件隔离膜602和第一导电型杂质离子区两者被离子注入掩模如光刻胶图案607掩盖。
通过第一导电型杂质离子注入在活性区中形成LDD结构的扩散区、源和漏区、或浮动扩散区。在这种情况下，由于第一导电型杂质离子区预先在活性区与器件隔离膜602之间的边界处形成，第一导电型杂质离子区提供空穴载流子，导致电子-空穴复合。所以，可以解决在第二导电型杂质离子注入过程中由于器件隔离膜602和活性区之间的缺陷导致的诸如电子载流子的问题。
尽管已经基于沿图5的C-C’线的截面描述了制备根据本发明的CMOS图像传感器的方法，该方法同样适用于构成CMOS图像传感器的全部晶体管的栅电极的截面结构。
此外，在本发明的实施方案中，尽管已经描述了基于三个晶体管的CMOS图像传感器，但是可以实现其它CMOS图像传感器，避免在活性区和器件隔离膜之间的边界处由于离子注入产生的衬底损坏。
如上所述，该CMOS图像传感器及其制备方法具有以下优点。
在覆盖构成CMOS图像传感器的栅电极的活性区中，第一导电型重掺杂杂质离子区形成在每个栅电极之下的活性区与靠近该活性区的器件隔离膜之间的边界处。在这种情况下，可以解决由于第二导电型杂质离子注入而在器件隔离膜与活性区之间的边界处产生的诸如电子载流子的问题。
对于本领域技术人员明显的是，可以在本发明中进行各种改进和变化。因此本发明旨在覆盖由所附权利要求及其等同物范围内提供的本发明的改进和变化。

Claims (10)

1.一种CMOS图像传感器，包含：
具有多个晶体管的第一导电型半导体衬底；
覆盖晶体管的每个栅电极的活性区；
邻接该活性区的器件隔离膜；和
在活性区与器件隔离膜之间形成的第一导电型重掺杂杂质离子区。
2.权利要求1的CMOS图像传感器，其中第一导电型重掺杂杂质离子区的宽度为200至400。
3.权利要求1的CMOS图像传感器，其中活性区对应于向其中注入第二导电型杂质离子以形成LDD结构的扩散区、源和漏区以及浮动扩散区之一的区域。
4.一种制造CMOS图像传感器的方法，包括：
形成确定第一导电型半导体衬底上的活性区的器件隔离膜；
形成暴露器件隔离膜的预定部分和活性区的预定部分的第一光刻胶图案；和
通过向衬底整个表面中注入第一导电型重掺杂杂质离子而在暴露的衬底中形成第一导电型重掺杂杂质离子区。
5.权利要求4的方法，在形成第一导电型重掺杂杂质离子区后，还包括：
在活性区和器件隔离膜上依次形成栅绝缘膜和栅电极；和
形成第二光刻胶图案，以便不暴露形成器件隔离膜和第一导电型重掺杂杂质离子区的部分。
6.权利要求4的方法，其中第一导电型重掺杂杂质离子区的宽度为200至400。
7.权利要求4的方法，其中第一导电型重掺杂杂质离子区通过以1×1012至1×1015个离子/cm2的浓度注入离子形成。
8.权利要求4的方法，其中第一导电型杂质离子为B离子或BF2离子。
9.权利要求4的方法，其中被第一光刻胶图案暴露的器件隔离膜的宽度为50至2500。
10.权利要求5的方法，其中被第二光刻胶图案暴露的区域是向其中注入第二导电型杂质离子以形成LDD结构的扩散区、源和漏区以及浮动扩散区之一的区域。
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