專利名稱：Cmos圖像傳感器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種CMOS圖像傳感器。更具體地，本發(fā)明涉及一種CMOS圖像傳感器及其制造方法，該傳感器能夠通過減小浮動擴散區(qū)的漏電流改善圖像傳感器的特性。
相關(guān)技術(shù)的描述通常，圖像傳感器是用于把光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成電信號的半導(dǎo)體器件，并分為電荷耦合器件(CCD)和CMOS圖像傳感器。
CCD具有多個光電二極管(PD)，為了把光信號轉(zhuǎn)變成電信號，其以陣列形式排列。CCD包括多個在陣列中垂直設(shè)置的在光電二極管之間的垂直電荷耦合器件(VCCD)，以使當(dāng)電荷從每個光電二極管產(chǎn)生時在垂直方向上傳輸，CCD還包括用于在水平方向上傳輸已經(jīng)從VCCD傳輸?shù)碾姾傻亩鄠€水平電荷耦合器件(HCCD)，和用于通過感應(yīng)在水平方向上傳輸?shù)碾姾刹⑤敵鲭娦盘柕母袘?yīng)放大器(sense amplifier)。
然而，這樣的CCD具有很多缺點，例如復(fù)雜的驅(qū)動模式、高能耗等。該CCD也需要多個步驟的光刻工藝，因此CCD的制造工藝是復(fù)雜的。
另外，由于很難在CCD的單個芯片上集成控制器、信號處理器和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D轉(zhuǎn)換器)，CCD不適用于小尺寸的產(chǎn)品。
近來，作為能夠解決CCD的問題的下一代圖像傳感器的CMOS圖像傳感器受到極大關(guān)注。
CMOS圖像傳感器是采用開關(guān)模式以通過MOS晶體管依次檢測每個象素的輸出的器件，其中MOS晶體管使用外圍器件，例如控制器和信號處理器通過CMO工藝形成在與單元象素對應(yīng)的半導(dǎo)體襯底上。
即，CMO傳感器在每個單元象素中包括一個光電二極管和一個MOS晶體管，并以開關(guān)模式依次檢測的每個單元象素的電信號以識別圖像。
由于CMOS圖像傳感器使用CMOS工藝，COM圖像傳感器具有例如低功耗和具有相對少的光刻工藝步驟的簡單制造工藝的優(yōu)點。
另外，CMOS圖像傳感器允許產(chǎn)品具有小的尺寸，因為控制器、信號處理器和A/D轉(zhuǎn)換器能夠被集成在CMOS圖像傳感器的芯片上。
因此，CMOS圖像傳感器已經(jīng)被廣泛地用于多種應(yīng)用中，例如數(shù)字靜態(tài)攝像機、數(shù)字視頻攝像機等。
并且，CMOS圖像傳感器根據(jù)晶體管的數(shù)量被分為3T型、4T型和5T型CMOS圖像傳感器。3T型CMOS圖像傳感器包括一個光電二極管和三個晶體管，4T型CMOS圖像傳感器包括一個光電二極管和四個晶體管。
在下文中，將會給出關(guān)于4T型CMOS圖像傳感器的單元象素的布局圖。
圖1是傳統(tǒng)的四晶體管(4T)CMOS圖像傳感器的等效電路圖。
如圖1中所示，CMOS圖像傳感器的單元象素100包括用作光電轉(zhuǎn)換器的光電二極管10和四個晶體管。
這四個晶體管包括轉(zhuǎn)移晶體管20、復(fù)位晶體管30、驅(qū)動晶體管40和選擇晶體管50。另外，負載晶體管60電連接到每個單元象素100的輸出端子OUT。
在圖1中，F(xiàn)D、Tx，Rx，Dx和Sx分別表示浮動擴散區(qū)、轉(zhuǎn)移晶體管20的柵極電壓，復(fù)位晶體管30的柵極電壓、驅(qū)動晶體管40的柵極電壓和選擇晶體管50的柵極電壓。
圖2是示出了傳統(tǒng)的4TCMOS圖像傳感器的單元象素的布局圖，圖3是沿著圖2的線II-II’且示出了傳統(tǒng)的CMOS圖像傳感器的截面圖。
如圖2和3中所示，傳統(tǒng)的4TCMOS圖像傳感器包括p阱區(qū)32，其形成在P型半導(dǎo)體襯底31表面的預(yù)定部分上，在襯底上限定有有源區(qū)和隔離區(qū)，還包括一個隔離層34，其形成在半導(dǎo)體襯底31的隔離區(qū)中，還包括四個晶體管的柵電極23、33、43和53，其形成在半導(dǎo)體襯底31的有源區(qū)中，當(dāng)在柵電極和有源區(qū)之間插入柵極絕緣層35時，其通過隔離層34與隔離區(qū)分開，還包括一個光電二極管(PD)區(qū)，其在轉(zhuǎn)移晶體管的柵電極的一側(cè)形成的。
換句話說，轉(zhuǎn)移晶體管20(見圖1)，復(fù)位晶體管30(見圖1)、驅(qū)動晶體管40(見圖1)和選擇晶體管50(見圖1)分別由柵電極23、33、43和53形成。
除了光電二極管(PD)區(qū)和柵電極23、33、43和53的下部分，高濃度n+型摻雜劑以相同的注入深度注入到每個晶體管的有源區(qū)，以使得在每個晶體管的有源區(qū)中形成作為每個晶體管的源/漏區(qū)的N+型擴散區(qū)36。
并且，雖然沒有解釋，附圖標記A表示其中形成N+型擴散區(qū)36的區(qū)域，附圖標記B表示其中沒有形成P-阱區(qū)32的區(qū)域。
因此，在P型半導(dǎo)體襯底31的表面而不是P阱區(qū)32上形成FD區(qū)和PD區(qū)。
另外，P型半導(dǎo)體襯底31的濃度在1E15/cm3到1E16/cm3的范圍內(nèi)，除了P型半導(dǎo)體襯底31，P阱區(qū)32的濃度在1E17/cm3到1E18/cm3的范圍內(nèi)，N+擴散區(qū)的濃度在1E20/cm3到1E22/cm3的范圍內(nèi)。
并且，圖3中示出的柵電極33是復(fù)位晶體管的柵電極，在轉(zhuǎn)移晶體管的柵電極23和復(fù)位晶體管的柵電極33之間的N+擴散區(qū)36是FD區(qū)。
另外，黑實線表示在FD區(qū)和驅(qū)動晶體管40(見圖1)之間的連接線。
由于在具有均勻濃度的象素區(qū)域中形成了P阱區(qū)32，傳統(tǒng)的CMOS圖像傳感器在象素區(qū)具有相同的漏電流，在單位面積上具有相同的結(jié)電容。
然而，減小在具有四個晶體管和一個光電二極管結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器中的FD區(qū)的結(jié)漏電流是非常重要的。這是因為FD區(qū)的電位被用作驅(qū)動晶體管的輸入電位。
然而，雖然當(dāng)少量的電子從光電二極管中被攜帶出來時，F(xiàn)D沒有問題，但是當(dāng)大量電子被攜帶到FD區(qū)時，因為FD區(qū)中的電容具有小的電容，F(xiàn)D不能接收所有的被攜帶的電子(即，當(dāng)由于大量的光入射到光電二極管中產(chǎn)生大量電子時)。
即，由于P型襯底的摻雜濃度在1E/15/cm3到1E/15/cm3的范圍內(nèi)，減小了FD區(qū)的電容值。
因此，充分地接收從光電二極管運送來的大量電子是很難的，不能為驅(qū)動晶體管施加精確的電位，以使得數(shù)據(jù)不能產(chǎn)生。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個方面是提供CMOS圖像傳感器及其制造方法，該傳感器能夠通過增加浮動擴散區(qū)的結(jié)電容改善圖像傳感器的性能。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，包括一個光電二極管和轉(zhuǎn)移、復(fù)位、驅(qū)動和選擇晶體管的CMOS圖像傳感器，CMOS圖像傳感器包括第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體襯底，在其上限定了包括光電二極管區(qū)、浮動擴散區(qū)和電壓輸入/輸出區(qū)的有源區(qū)，還包括通過插入柵極絕緣層在半導(dǎo)體襯底的有源區(qū)上形成的每個晶體管的柵電極，還包括在與電壓輸入/輸出區(qū)對應(yīng)的半導(dǎo)體襯底的表面上形成的第一導(dǎo)電型第一阱區(qū)，還包括在與浮動擴散區(qū)對應(yīng)的半導(dǎo)體襯底表面上形成第一導(dǎo)電型第二阱區(qū)，還包括在每個柵電極兩側(cè)的半導(dǎo)體襯底表面上形成的第二導(dǎo)電型擴散區(qū)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供制造包括光電二極管、復(fù)位、驅(qū)動和選擇晶體管的CMOS圖像傳感器的方法，該方法包括限定有源區(qū)的步驟，其包括在第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體襯底上形成光電二極管區(qū)、浮動擴散區(qū)和電壓輸入/輸出區(qū)，在半導(dǎo)體襯底的電壓輸入/輸出區(qū)上形成第一導(dǎo)電型第一阱區(qū)，在半導(dǎo)體襯底的浮動擴散區(qū)上形成第二導(dǎo)電型第二阱區(qū)，通過插入柵極絕緣層，在半導(dǎo)體襯底的有源區(qū)上形成每個晶體管的柵電極，和在每個柵電極的兩側(cè)在半導(dǎo)體襯底表面上形成第二導(dǎo)電型擴散區(qū)。


圖1是傳統(tǒng)的四晶體管(4T)CMOS圖像傳感器的等效電路圖；圖2是示出了傳統(tǒng)的4T CMOS圖像傳感器的單元象素的布局圖；圖3是示出了沿著圖2的線II-II’的傳統(tǒng)CMOS圖像傳感器的截面圖；圖4是示出了根據(jù)本發(fā)明的4T CMOS圖像傳感器的單元象素的布局圖；圖5是示出了根據(jù)本發(fā)明的CMOS圖像傳感器的沿著圖4的線IV-IV’的截而圖；圖6A到6D是示出了沿著圖4的線IV-IV’的截面圖，用來顯示根據(jù)本發(fā)明制造CMOS圖像傳感器的方法。
具體實施例方式
在下文中，將參考附圖詳細描述根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
圖4是示出了根據(jù)本發(fā)明的4T CMOS圖像傳感器的單位象素的布局圖，圖5是示出了根據(jù)本發(fā)明的、顯示一個傳統(tǒng)的CMOS圖像傳感器沿著圖4的線IV-IV’的截面圖。
如圖4和5中所示，CMOS圖像傳感器包括在P型半導(dǎo)體器件101的隔離區(qū)處形成的隔離層102，在該P型半導(dǎo)體器件上限定有包括光電二極管(PD)區(qū)和晶體管區(qū)以及隔離區(qū)的有源區(qū)，還包括在半導(dǎo)體器件101的有源區(qū)表面的預(yù)定部分形成的第一P阱區(qū)104，還包括在半導(dǎo)體器件101的有源區(qū)中形成的四個柵電極108、115、125和135，當(dāng)在有源區(qū)和柵電極之間插入柵極絕緣層107時，其通過隔離層102從隔離區(qū)分開，還包括在柵電極108、115、125和135的兩側(cè)形成的N+型擴散區(qū)109，還包括以低于第一P阱區(qū)102的摻雜濃度在半導(dǎo)體襯底101的浮動擴散區(qū)中形成的第二P阱區(qū)106。
在四個柵電極108、115、125和135中，柵電極108是復(fù)位晶體管的柵電極，柵電極115是轉(zhuǎn)移晶體管的柵電極，柵電極125是驅(qū)動晶體管的柵電極，柵電極135是選擇晶體管的柵電極。
并且，PD區(qū)形成在轉(zhuǎn)移晶體管的柵電極115的一側(cè)上。
除了PD區(qū)和柵電極108、115、125和135的下部分之外，作為每個晶體管的源/漏區(qū)的N+型擴散區(qū)109，形成在每個晶體管的有源區(qū)中。
另外，第一P阱區(qū)104的摻雜濃度在1E17/cm3到1E18/cm3的范圍內(nèi)，N+型擴散區(qū)109的摻雜濃度在1E20/cm3到1E22/cm3的范圍內(nèi)，第二P阱區(qū)106的摻雜濃度在1E16/cm3到1E17/cm3的范圍內(nèi)。
圖5中示出的柵電極108是復(fù)位晶體管的柵電極，作為浮動擴散(FD)區(qū)的N+型擴散區(qū)109形成在轉(zhuǎn)移晶體管的柵電極115和復(fù)位晶體管的柵電極108之間的有源區(qū)。
另外，黑體實線表示用于連接FD區(qū)到驅(qū)動晶體管40(見圖1)的連接線。
并且，在圖4中，附圖標記A、B和C分別表示其中形成N+型擴散區(qū)109的區(qū)、具上分別形成有PD的半導(dǎo)體器件101的區(qū)和其中形成有第二P阱區(qū)106的區(qū)。
在根據(jù)本發(fā)明具有上述結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器中，在有源區(qū)的電壓輸入/輸出(Vin/Vout)區(qū)中形成第一P阱區(qū)104，其被分成PD區(qū)、FD區(qū)、電壓輸入/輸出(Vin/Vout)區(qū)，具有濃度低于第一P阱區(qū)104的第二P阱區(qū)106在FD區(qū)中形成。
圖6A到6D是沿著圖4的線IV-IV’的截面圖，顯示了根據(jù)本發(fā)明來制造CMOS圖像傳感器的一種方法。
如圖6A中所示，包括P型單晶硅的半導(dǎo)體襯底101具有在其上限定的有源區(qū)和隔離區(qū)，通過淺溝槽隔離(STI)工藝在隔離區(qū)形成隔離層102。
雖然在圖中未示出，形成隔離層102的方法如下所述。
依次在半導(dǎo)體襯底101上形成襯墊氧化層、襯墊氮化物層和四乙基原硅酸鹽(TEOS)氧化物層，在TEOS氧化物層上形成光致抗蝕劑膜。
然后，使用限定有源區(qū)和隔離區(qū)的掩膜，對光致抗蝕劑膜進行曝光和顯影，由此構(gòu)圖光致抗蝕劑膜。此時，除去在隔離區(qū)中形成的光致抗蝕劑膜。
此后，通過使用已構(gòu)圖的光致抗蝕劑膜作為掩膜，選擇性地除去隔離區(qū)中的襯墊氧化物層、襯墊氮化物層和TEOS氧化物層。
以預(yù)定深度蝕刻隔離區(qū)的半導(dǎo)體襯底以由此形成溝槽。此時，已構(gòu)圖的襯墊氧化物層、襯墊氮化物層和TEOS氧化物層可以用作掩膜。然后，完全除去光致抗蝕劑膜。
然后，利用絕緣材料填充溝槽，使得在溝槽中形成隔離層103。隨后，除去襯墊氧化物層、襯墊氮化物層和TEOS氧化物層。
如圖6B中所示，在形成有隔離層102的半導(dǎo)體襯底101的整個表面上涂敷第一光致抗蝕劑膜103后，通過曝光和顯影工藝構(gòu)圖第一光致抗蝕劑膜以使得有源區(qū)(見圖4)的一部分A被打開。
這里，部分A表示輸入節(jié)點(Vin節(jié)點)區(qū)，輸出節(jié)點(Vout節(jié)點)區(qū)，和除了FD區(qū)的外圍電路。
然后，通過使用第一光致抗蝕劑膜103作為掩膜，把低濃度P型摻雜劑注入半導(dǎo)體襯底101中，由此在半導(dǎo)體襯底101表面上形成第一p阱區(qū)104。
第一P阱區(qū)104的濃度在1E17/cm3和1E18/cm3的范圍內(nèi)。
如圖6C所示，在半導(dǎo)體襯底101上除去光致抗蝕劑膜103和涂敷第二光致抗蝕劑膜105之后，通過曝光和顯影工藝構(gòu)圖第二光致抗蝕劑膜105以使得僅有部分A可以被第二光致抗蝕劑膜105覆蓋。
由第二光致抗蝕劑膜105打開的區(qū)是用于形成FD區(qū)的區(qū)。
然后，通過使用第二光致抗蝕劑膜105作為掩膜，將具有低于第一P阱區(qū)104濃度的P型摻雜劑注入半導(dǎo)體襯底101中，由此在半導(dǎo)體襯底101的表面上形成第二P阱區(qū)106。
第二P阱區(qū)106的摻雜濃度在1E16/cm3到1E17/cm3的范圍內(nèi)，其中形成有光電二極管的半導(dǎo)體襯底101的摻雜濃度在1E15/cm3到1E16/cm3的范圍內(nèi)。
然后，如圖6D中所示，除去第二光致抗蝕劑膜105，在形成有隔離層103的半導(dǎo)體襯底101的整個表面上沉積柵極絕緣層107和導(dǎo)電層(例如多晶硅層)，通過光刻工藝選擇性地除去導(dǎo)電層，由此形成復(fù)位晶體管的柵電極108。
當(dāng)形成復(fù)位晶體管的柵電極108時，同時也形成其它晶體管，即轉(zhuǎn)移晶體管、驅(qū)動晶體管和選擇晶體管的柵電極。
然后，通過使用柵電極108作為掩膜，高濃度的N+型摻雜劑被注入到曝露的有源區(qū)，由此形成N+型擴散區(qū)109。
形成N+型擴散區(qū)109，其具有在1E20/cm3到1E22/cm3范圍內(nèi)的濃度。
然后，半導(dǎo)體襯底10經(jīng)受熱處理工藝(例如快速熱處理工藝)，由此在具有不同濃度的N+型擴散區(qū)109中擴散摻雜劑。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的CMOS圖像傳感器及其制造方法具有如下優(yōu)點。
在形成有浮動擴散區(qū)的半導(dǎo)體襯底中的P型摻雜劑的濃度有所增加，使得浮動擴散區(qū)的結(jié)電容增加，由此改善了圖像傳感器的性能。
雖然參考某些優(yōu)選的實施例已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將會清楚在不脫離所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，本發(fā)明可以在形式和細節(jié)上作出多種修改。
權(quán)利要求
1.一種CMOS圖像傳感器，其包括一個光電二極管和轉(zhuǎn)移、復(fù)位、驅(qū)動和選擇晶體管，CMOS圖像傳感器包括第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體襯底，其上限定包括光電二極管區(qū)、浮動擴散區(qū)和電壓輸入/輸出區(qū)的有源區(qū)；通過插入柵極絕緣層在半導(dǎo)體襯底的有源區(qū)上形成的每個晶體管的柵電極；在對應(yīng)于電壓輸入/輸出區(qū)的半導(dǎo)體襯底的表面上形成的第一導(dǎo)電型第一阱區(qū)；在對應(yīng)于浮動擴散區(qū)的半導(dǎo)體襯底的表面上形成的第一導(dǎo)電型第二阱區(qū)；和在每個柵電極兩側(cè)的半導(dǎo)體襯底的表面上形成的第二導(dǎo)電型擴散區(qū)。
2.如權(quán)利要求1的CMOS圖像傳感器，其中第一阱區(qū)具有比第二阱區(qū)的摻雜濃度更高的摻雜濃度。
3.如權(quán)利要求1的CMOS圖像傳感器，其中第一阱區(qū)具有在1E17/cm3到1E18/cm3的范圍內(nèi)的濃度。
4.如權(quán)利要求1的CMOS圖像傳感器，其中第二阱區(qū)具有在1E16/cm3到1E17/cm3的范圍內(nèi)的濃度。
5.如權(quán)利要求1的CMOS圖像傳感器，其中半導(dǎo)體襯底具有在1E15/cm3到1E16/cm3的范圍內(nèi)的濃度。
6.一種制造包括一個光電二極管和轉(zhuǎn)移、復(fù)位、驅(qū)動和選擇晶體管的CMOS圖像傳感器的方法，該方法包括以下步驟在第一導(dǎo)電型的半導(dǎo)體襯底上限定有源區(qū)，其包括光電二極管區(qū)、浮動擴散區(qū)和電壓輸入/輸出區(qū)；在半導(dǎo)體襯底的輸入/輸出區(qū)上形成第一導(dǎo)電型第一阱區(qū)；在半導(dǎo)體襯底的浮動擴散區(qū)上形成第二導(dǎo)電型第二阱區(qū)；通過插入柵極絕緣層在半導(dǎo)體襯底的有源區(qū)上形成每個晶體管的柵電極；和在每個柵電極兩側(cè)的半導(dǎo)體襯底表面上形成第二導(dǎo)電性擴散區(qū)。
7.如權(quán)利要求6的方法，其中第一阱區(qū)具有比第二阱區(qū)的摻雜濃度更高的摻雜濃度。
8.如權(quán)利要求6的方法，其中第一阱區(qū)具有在1E17/cm3到1E18/cm3的范圍內(nèi)的濃度。
9.如權(quán)利要求6的方法，其中第二阱區(qū)具有在1E16/cm3到1E17/cm3的范圍內(nèi)的濃度。
全文摘要
公開了CMOS圖像傳感器及其制造方法，該傳感器能夠通過增加浮動擴散區(qū)的結(jié)電容改善圖像傳感器的性能。CMOS圖像傳感器具有一個光電二極管，和轉(zhuǎn)移、復(fù)位、驅(qū)動和選擇晶體管，CMOS圖像傳感器包括第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體襯底，在其上限定了一個包括光電二極管區(qū)、浮動擴散區(qū)和電壓輸入/輸出區(qū)的有源區(qū)，通過在插入柵極絕緣層在半導(dǎo)體襯底的有源區(qū)上形成每個晶體管的柵電極，在對應(yīng)于電壓輸入/輸出區(qū)的半導(dǎo)體襯底的表面上形成第一導(dǎo)電型第一阱區(qū)，在對應(yīng)于浮動擴散區(qū)的半導(dǎo)體襯底的表面上形成第一導(dǎo)電型第二阱區(qū)，在每個柵電極兩側(cè)的半導(dǎo)體襯底的表面上形成的第二導(dǎo)電型擴散區(qū)。
文檔編號H04N5/335GK1953194SQ20061016359
公開日2007年4月25日 申請日期2006年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月13日
發(fā)明者全寅均 申請人:東部電子株式會社