CN1921131A - Cmos图像传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种CMOS图像传感器及其制造方法。该CMOS图像传感器包括：第一导电类型半导体衬底，具有在其中限定的光电二极管区和晶体管区；第二导电类型杂质区，形成在半导体衬底的光电二极管区中；栅电极，形成在位于晶体管区中的部分半导体衬底上，具有在其间插入的栅绝缘层；以及第一导电类型杂质区，形成在栅电极的下侧的半导体衬底中，并具有高于半导体衬底的浓度。

Description

CMOS图像传感器及其制造方法

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。

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。图像传感器分为电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。

CMOS图像传感器包括单位像素中的光电二极管和金属氧化物半导体(MOS)晶体管，并以开关方式顺序地检测单位像素的电信号，以实现图像。

图1是根据现有技术的CMOS图像传感器的击穿的照片。

参照图1，在根据现有技术的CMOS图像传感器中，由于用于形成光电二极管的N^-型扩散区的低的杂质掺杂浓度以及在半导体衬底上形成的外延层的低的杂质掺杂浓度，广泛地形成耗尽区。

在根据现有技术的CMOS图像传感器中，发生击穿A。击穿A是由于在光电二极管的N^-型扩散区和晶体管32的漏区的N⁺型浮置扩散区之间形成的光电二极管的宽的耗尽区，光电二极管区接触浮置扩散区的现象。当发生击穿时，暗电流(dark current)增加，这减小光电二极管的性能。

同样，根据现有技术的CMOS图像传感器通过暗电流的增加而生成噪声。

发明内容

因此，本发明涉及CMOS图像传感器及其制造方法，基本上避免了由于现有技术的限制和不利所导致的一个或多个问题。

本发明的目标是提供一种CMOS图像传感器及其制造方法，能够同过防止暗电流而改进图像传感器的性能。

为了获得这些目标并与本发明的目标相一致，如在此实施并概括描述，提供了一种CMOS图像传感器，包括：第一导电类型半导体衬底，具有其中限定的光电二极管区和晶体管区；第二导电类型杂质区，形成在半导体衬底的光电二极管区中；栅电极，形成在位于晶体管区中的部分半导体衬底上，具有在其间插入的栅绝缘层；以及第一导电类型杂质区，形成在位于栅电极之下的部分半导体衬底中，并具有高于半导体衬底的浓度。

在本发明的另一方面，提供了一种制造CMOS图像传感器的方法，包括：制备第一导电类型半导体衬底，具有其中限定的光电二极管区和晶体管区；通过将具有高于第一导电类型半导体衬底的浓度的第一导电类型杂质离子注入部分晶体管区，形成第一导电类型杂质区；在第一导电类型杂质区上形成栅电极，具有其间插入的栅绝缘层；以及在光电二极管区中形成第二导电类型杂质区。

应理解，本发明的上述概括说明和下面详细说明是示例性和说明性的，并旨在提供如所要求的本发明的进一步说明。

附图说明

附图，包括以提供本发明的进一步理解并引入并且构成本申请的一部分，说明本发明的实施例，并且连同说明书一起用于说明本发明的原理。在附图中：

图1是示出根据现有技术的CMOS图像传感器的击穿的照片；以及

图2至8是一步步地说根据本发明的实施例的制造CMOS图像传感器的方法的截面图。

具体实施方式

现在将详细参照本发明的优选实施例，在附图中说明其实例。只要可能，在整个附图中使用相同的参考标号指示相同或相似部件。

下面，将参照附图详细说明根据本发明的实施例的CMOS图像传感器及其制造方法。

图2至8是说根据本发明的实施例的制造CMOS图像传感器的方法的截面图。

尽管P型半导体衬底161将用于制造CMOS图像传感器，本发明不限制于P型半导体衬底。

将说明根据本发明的实施例，用于具有一个光电二极管和四个晶体管的4T型CMOS图像传感器。然而，本发明还可以适用于具有一个光电二极管和三个晶体管的3T型CMOS图像传感器以及具有一个光电二极管和五个晶体管的5T型CMOS图像传感器。

根据本发明的4T型CMOS图像传感器具有四个晶体管，例如重置晶体管、传输晶体管、驱动晶体管和选择晶体管。

参照图2，通过在高浓度P⁺⁺型半导体衬底161上执行外延工序，形成低浓度P^-型外延层162。

在半导体衬底161中限定有源区和器件隔离区。使用浅沟槽隔离(STI)工序或硅的本地氧化(LOCOS)工序在器件隔离区中形成器件隔离层163。

参照图3，在形成有器件隔离层163的P^-型外延层162的整个表面上形成第一光阻层115。构图第一光阻层115以覆盖光电二极管区和源区/漏区，并使用曝光和显影工序露出传输晶体管的传输栅电极区。

通过使用所构图的第一光阻层160作为掩模，将具有高于P^-型外延层162的杂质离子浓度的P型杂质离子注入露出的传输栅电极区，形成P型杂质区159。

可以在对于晶体管的阈值电压(V_th)不产生影响的深度处形成P型杂质区159。当P型杂质区159相邻于栅绝缘层164时，通过增加晶体管的阈值电压增加在光电二极管区中生成的电子移动到晶体管区的移动性。

可以通过形成离开栅绝缘层164大约0.15至大约0.3um的深度，在对于晶体管的阈值电压不产生影响的深度处形成P型杂质区159。

可以通过使用大约100至大约150Kev的注入能量来注入离子，在对于晶体管的阈值电压不产生影响的深度处形成P型杂质区159。

可以通过使用100至150Kev的注入能量来注入离子，来形成离开栅绝缘层164大约0.15至0.3um的深度，在对于晶体管的阈值电压不产生影响的深度处形成P型杂质区159。

参照图4，在除去第一光阻层160之后，在形成有P型杂质区159和器件隔离层163的P^-型外延层162的整个表面上顺序淀积栅绝缘层和导电层，例如高浓度多晶硅层。通过选择性地除去导电层和栅绝缘层来形成传输栅电极165。

传输栅电极165可形成为大于P型杂质区159的宽度。当P型杂质区159的CD非常大时，在光电二极管中生成的电子的数目减小，由于窄的光电二极管区。当P型杂质区159的宽度非常窄时，P型杂质区159不能正确地执行穿透阻挡的功能。

当晶体管的CD(临界尺寸)大约为0.35um时，具有小于晶体管的CD并大于或等于大约0.15um的宽度的P型杂质区159可以用作穿透阻挡。

参照图5，在包括传输晶体管165的半导体衬底的整个表面上形成第二光阻层166。通过曝光工序和显影工序，构图第二光阻层166，以覆盖光电二极管区并露出传输晶体管的源区/漏区。

通过使用所构图的第二光阻层166和栅电极165作为掩模，将较低浓度N型杂质离子注入露出的源区/漏区，形成N型扩散区167。

参照图6，除去第二光阻层166。在半导体衬底161的整个表面上形成第三光阻层168，并通过曝光和显影工序来构图。

通过使用构图的第三光阻层168作为掩模，将较低浓度N^-型杂质离子注入P^-型外延层162，在光电二极管区上形成N^-型扩散区169。使用比深形成的源区/漏区的N^-型扩散区167高的离子注入能量，来注入用于形成每个光电二极管区的N^-型扩散区169的杂质离子注入。通过高能量离子注入能量，深形成N^-型扩散区169，以使得改进图像传感器的灵敏性。

通过在传输栅电极165的底上形成的P型杂质区159，防止在光电二极管区上形成的N^-型扩散区169的耗尽区的广泛传播。因此，P型杂质区159比N^-型扩散区169更深形成是优选的。

参照图7，除去第三光阻层168，在半导体衬底161的整个表面上淀积绝缘层，并且通过回蚀工序在传输栅电极165的两侧上形成绝缘层侧壁170。

在半导体衬底161的整个表面上形成第四光阻层171。通过曝光工序和显影工序构图第四光阻层171，以覆盖光电二极管区并露出传输晶体管的源区/漏区。

通过使用构图的第四光阻层171作为掩模，将N⁺型杂质离子注入露出的源区/漏区，形成N⁺型浮置扩散区172。

参照图8，除去第四光阻层171。在半导体衬底161的整个表面上形成第五光阻层173，并通过曝光工序和显影工序构图，以露出每个光电二极管区。

通过使用构图的第五光阻层173作为掩模，将P°型杂质离子注入包括N^-型扩散区169的光电二极管区，在半导体衬底的表面中形成P°型杂质区174。

根据本发明的CMOS图像传感器及其制造方法通过增加传输晶体管的栅电极的底上的P型掺杂浓度，形成P型杂质区。因此，本发明通过用于形成光电二极管的N^-型扩散区169来防止耗尽区广泛伸展，并可调整传输晶体管的临界电压。

因此，本发明可以防止光电二极管的N^-型扩散区169和限定为传输晶体管的漏区的N⁺型浮置扩散区172之间的击穿。同样，本发明可以通过减小暗电流的增加而改进光电二极管的性能。

根据本发明的CMOS图像传感器及其制造方法具有下面的效果。

第一，本发明通过防止通过光在光电二极管中生成的电子在开启晶体管之前泄漏，改进图像传感器的灵敏性。

第二，本发明通过防止由光所生成的电子在操作前泄漏，改进低光性能。

第三，本发明可以通过减小在开启晶体管之前生成的暗电流的增加，改进光电二极管的性能。

第四，本发明通过减小的光电二极管区和浮置扩散区的耗尽区来增加光电二极管和浮置扩散区的容量，扩展了在光电二极管和浮置扩散区的每个区域中存储电子的空间。

对于本领域技术人员，很明显可以在本发明中做出各种改进和变化。因此，本发明旨在包括本发明的改进和变化，只要它们落入所附权利要求及其等效的范围中。

Claims (20)

1.一种CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器，包括：

第一导电类型半导体衬底，具有在其中限定的光电二极管区和晶体管区；

第二导电类型杂质区，形成在半导体衬底的光电二极管区中；

栅电极，形成在位于晶体管区中的部分半导体衬底上，具有在其间插入的栅绝缘层；以及

第一导电类型杂质区，形成在位于栅电极之下的部分半导体衬底中，并具有高于半导体衬底的浓度。

2.如权利要求1的CMOS图像传感器，其中第一导电类型杂质区的宽度小于栅电极的CD(临界尺寸)。

3.如权利要求2的CMOS图像传感器，其中当栅电极的CD是大约0.35um时，第一导电类型杂质区的宽度小于栅电极的CD并大于或等于大约0.15um。

4.如权利要求1的CMOS图像传感器，其中在对晶体管的阈值电压没有影响的预设深度，形成第一导电类型杂质区。

5.如权利要求4的CMOS图像传感器，其中在距离栅绝缘层大约0.15至大约0.3um的深度，形成第一导电类型杂质区。

6.如权利要求1的CMOS图像传感器，其中将第二导电类型杂质区形成为低于第一导电类型杂质区，以防止广泛地形成耗尽区。

7.一种制造CMOS图像传感器的方法，该方法包括：

制备第一导电类型半导体衬底，具有在其中限定的光电二极管区和晶体管区；

通过将具有高于第一导电类型半导体衬底的浓度的第一导电类型杂质离子注入部分晶体管区，形成第一导电类型杂质区；

在第一导电类型杂质区上形成栅电极，具有在其间插入的栅绝缘层；以及

在光电二极管区中形成第二导电类型杂质区。

8.如权利要求7的方法，其中第一导电类型杂质区的宽度小于栅电极的CD(临界尺寸)。

9.如权利要求8的方法，其中当栅电极的CD是大约0.35um时，第一导电类型杂质区的宽度小于栅电极的CD并大于或等于大约0.15um。

10.如权利要求7的方法，还包括通过在半导体衬底上执行外延工序形成低浓度P型外延层。

11.如权利要求7的方法，其中形成第一导电类型杂质区包括：

在半导体衬底的整个表面上形成第一光阻层；

构图第一光阻层，以露出预设栅电极区；以及

通过使用所构图的第一光阻层作为掩模，将具有高于半导体衬底的杂质浓度的杂质离子注入半导体衬底的露出的栅电极区，形成第一导电类性杂质区。

12.如权利要求7的方法，其中在对晶体管的阈值电压没有影响的预设深度，形成第一导电类型杂质区。

13.如权利要求12的方法，其中在距离栅绝缘层大约0.15至大约0.3um的深度，形成第一导电类型杂质区。

14.如权利要求12的方法，其中通过使用100至150Kev的注入能量注入离子，形成第一导电类型杂质区。

15.如权利要求12的方法，其中通过使用大约100至大约150Kev的注入能量注入离子，在距离栅绝缘层大约0.15至大约0.3um的深度，形成第一导电类型杂质区。

16.如权利要求7的方法，还包括：

在包括栅电极的半导体衬底的整个表面上形成第二光阻层，并使用曝光工序和显影工序构图第二光阻层以覆盖光电二极管区并且露出晶体管的源区/漏区；以及

通过使用构图的第二光阻层和栅电极作为掩模，将低浓度N型杂质离子注入露出的源区/漏区，形成N型扩散区。

17.如权利要求16的方法，其中在光电二极管区中形成第二导电类型杂质区包括：

在半导体衬底的整个表面上形成第三光阻层，并使用曝光工序和显影工序，开口并构图对应于光电二极管区的部分第三光阻层；

通过使用构图的第三光阻层作为掩模，将低浓度N型杂质离子注入半导体衬底的开口的光电二极管区，形成N型扩散区。

18.如权利要求17的方法，其中形成第二导电类型杂质区包括通过使用较高离子注入能量注入低浓度N型杂质离子，比源区/漏区的低浓度N型扩散区更深地形成第二导电类型杂质区。

19.如权利要求7的方法，还包括：

在半导体衬底的整个表面上形成第四光阻层；

构图第四光阻层，以覆盖光电二极管区，并使用曝光工序和显影工序露出晶体管的源区/漏区；以及

通过使用构图的第四光阻层作为掩模，通过将N⁺型杂质离子注入露出的源区/漏区，形成N⁺型浮置扩散区。

20.如权利要求7的方法，还包括：

在半导体衬底的整个表面上形成第五光阻层，并使用曝光工序和显影工序构图第五光阻层，以露出每个光电二极管区；以及

通过使用构图的第五光阻层作为掩模，将P°型杂质离子注入其中形成第二导电类型杂质区的光电二极管区，在半导体衬底的表面中形成P°型扩散区。

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