專利名稱：Cmos圖像傳感器及其制造方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種CMOS(互補金屬氧化物硅)圖像傳感器。本發(fā)明尤其涉及一種CMOS圖像傳感器及其制造方法，可以在縮小象素的同時簡化CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
通常，圖像傳感器是將光學圖像轉(zhuǎn)化為電信號的半導體器件，分為電荷耦合器件(CCD)和CMOS圖像傳感器。
CCD具有多個布置成矩陣形式以將光信號轉(zhuǎn)化為電信號的光電二極管(PDs)。CCD包括多個垂直布置在該矩陣中的光電二極管之間的垂直電荷耦合器件(VCCDs)，以在每個光電二極管產(chǎn)生電荷時在垂直方向傳送電荷，還包括多個水平電荷耦合器件(HCCDs)，用于在水平方向上傳輸由VCCDs傳送來的電荷，以及一個感應放大器，用于通過感應在水平方向傳輸?shù)碾姾蓙磔敵鲭娦盘枴?br> 但是，這種CCD具有多種缺點，例如復雜的驅(qū)動模式、高功耗等。還有，CCD要求多步圖像處理，這樣，制造CCD的過程就較復雜。
另外，由于將控制器、信號處理器以及模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(A/D轉(zhuǎn)換器)集成到CCD的單個芯片上是很困難的，因此CCD不適合用于緊湊尺寸的產(chǎn)品。
近來，CMOS圖像傳感器做為可以解決CCD的問題的下一代圖像傳感器而被矚目。
CMOS圖像傳感器是使用開關(guān)模式依靠MOS晶體管連續(xù)探測每個單元象素的輸出的器件，其中，MOS晶體管通過一種使用外部設備如控制器和信號處理器的CMOS技術(shù)，與單元象素相對應地形成在半導體襯底上。
也即，COMS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，在開關(guān)模式下連續(xù)探測每個單元象素的電信號來再現(xiàn)圖像。
由于CMOS圖像傳感器利用了CMOS技術(shù)，CMOS圖像傳感器具有如低功耗和制造過程因圖像處理步驟相對較少而簡化的優(yōu)點。
另外，CMOS圖像傳感器允許產(chǎn)品具有緊湊的尺寸，因為控制器、信號處理器和A/D轉(zhuǎn)換器可以集成到CMOS圖像傳感器的單個芯片上。
因此，CMOS圖像傳感器廣泛地用于不同的應用，例如數(shù)碼照相機、數(shù)碼攝像機等。
CMOS圖像傳感器根據(jù)晶體管的數(shù)量可以分為3Tr-1PD型圖像傳感器、4Tr-1PD型圖像傳感器以及5Tr-1PD型圖像傳感器。3Tr-1PD型圖像傳感器包括一個光電二級管和三個晶體管，4Tr-1PD型圖像傳感器包括一個光電二級管和四個晶體管。
以下，結(jié)合傳統(tǒng)的3Tr-1PD型圖像傳感器的等效電路及其單元象素的版圖來進行描述。
附圖1是傳統(tǒng)的3Tr-1PD型圖像傳感器的等效電路圖，附圖2是傳統(tǒng)的3Tr-1PD型圖像傳感器的單元象素的版圖。
如附圖1所示，傳統(tǒng)的3Tr-1PD型圖像傳感器包括一個光電二極管PD和三個nMOS晶體管T1、T2和T3。
光電二極管PD的陰極連接到第一nMOS晶體管T1的漏極和第二nMOS晶體管T2的棚極。
另外，第一和第二nMOS晶體管T1和T2的源極連接到提供參考電壓VR的電源線，第一nMOS晶體管T1的柵極連接到提供復位信號RST的復位線。
第三nMOS晶體管T3的源極連接到第二nMOS晶體管T2的漏極，第三nMOS晶體管T3的漏極通過信號線連接到讀取電路(未示)，第三nMOS晶體管T3的柵極連接提供選擇信號SLCT的列選線。
第一nMOS晶體管T1是用于復位光電二極管PD聚集的光電荷的復位晶體管Rx，第二nMOS晶體管T2是做為源跟隨緩沖放大器的源跟隨晶體管Dx，第三nMOS晶體管T3是執(zhí)行開關(guān)和選址功能的選擇晶體管Sx。
如附圖2所示，在傳統(tǒng)的3Tr-1PD型圖像傳感器的單元象素上定義一個有源區(qū)，這樣，一個光電二極管20形成在有源區(qū)10大而較寬的部分，三個晶體管的柵極30、40、50分別交疊在有源區(qū)10的剩余部分。
也即，復位晶體管Rx與柵極30合并，源跟隨晶體管Dx與柵極40合并，選擇晶體管Sx與柵極50合并。
在每個晶體管的有源區(qū)10中除柵極30、40和50的較低部分外的部分進行摻雜，由此形成每個晶體管的源極/漏極區(qū)。
這樣，在復位晶體管Rx和源跟隨晶體管Dx之間形成的源極/漏極區(qū)中提供了接收外部電勢的輸入終端Vin，還在形成于選擇晶體管Sx一側(cè)的源極/漏極區(qū)中提供了連接到讀取電路(未示出)的輸出終端Vout。
附圖3是傳統(tǒng)CMOS圖像傳感器沿附圖2的IV-IV`線的剖視圖。
如附圖3所示，傳統(tǒng)CMOS圖像傳感器包括形成于p型半導體襯底41的絕緣區(qū)上的絕緣層42，，所述半導體襯底41上定義了有源區(qū)和絕緣區(qū)；具有延伸并穿過有源區(qū)和絕緣層42的一部分的柵極43的源跟隨晶體管；形成于半導體襯底41的有源區(qū)的一部分上的光電二極管區(qū)(PD)44；形成于半導體襯底41的整個表面上的電介質(zhì)層45；延伸經(jīng)過電介質(zhì)層45以將柵極43和光電二極管區(qū)44電連接的金屬連接46。
金屬連接46通過接觸孔47連接柵極43和光電二級管區(qū)44，該接觸孔通過穿過電介質(zhì)層45形成，這樣光電二極管區(qū)44和柵極43的表面的預定部分暴露，鎢栓48形成于接觸孔47中。
根據(jù)具有上述結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)的CMOS圖像傳感器，由于光電二極管區(qū)電連接到柵極43，光電二極管區(qū)44電勢的變化可能對源跟隨晶體管的柵極電勢產(chǎn)生影響。
另外，棚極電勢可能對晶體管的性能產(chǎn)生很大影響。
但是，為了最大程度地實現(xiàn)圖像傳感器的特性，需要直接將光電二極管區(qū)的電勢變化無損失地傳遞到相鄰晶體管的棚極終端。
因此，和其他器件不同，連接光電二極管區(qū)到相鄰晶體管柵極的方法非常重要。
如上所述，根據(jù)傳統(tǒng)連接方法，所述接觸孔形成于光電二極管區(qū)和柵極的上部，通過將金屬材料注入接觸孔形成鎢栓。在這種情況下，金屬層如鋁層被沉積和構(gòu)圖以形成金屬連接。
但是，上述連接方法在光電二極管區(qū)中形成接觸孔時會損傷光電二極管。另外，由于光電二極管區(qū)通過四個觸點依靠金屬連接來連接到柵極，提高象素設計余量是很困難的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題而提出，本發(fā)明的一個目的是提供一種CMOS圖像傳感器及其制造方法，以防止光電二極管被損傷并提高象素設計余量來減小象素尺寸。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種包括一個光電二極管和多個晶體管的CMOS圖像傳感器，所述CMOS圖像傳感器包括形成于半導體襯底絕緣區(qū)上的絕緣層，所述半導體襯底上定義了絕緣區(qū)和有源區(qū)；延伸并穿過有源區(qū)和絕緣層的一部分的柵極；形成于半導體襯底有源區(qū)的一部分上的光電二極管區(qū)；形成于柵極兩側(cè)的絕緣側(cè)壁；形成于柵極的頂層表面和與該柵極相鄰的光電二極管區(qū)的部分表面上的金屬硅化物層；用于將柵極和光電二極管區(qū)電連接的金屬層；以及，形成于包括金屬層和金屬硅化物層的半導體襯底的整個表面上的電介質(zhì)層。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種制造包括一個光電二極管和多個晶體管的CMOS圖像傳感器的方法，該方法包括步驟在半導體襯底的絕緣區(qū)上形成絕緣層，所述襯底上定義了絕緣區(qū)和有源區(qū)；通過在絕緣層和有源區(qū)之間插入柵極絕緣層以在有源區(qū)和絕緣層的一部分上形成柵極；在半導體襯底的有源區(qū)的預定部分上形成光電二極管區(qū)；在柵極的兩側(cè)形成絕緣側(cè)壁；在包括柵極的半導體襯底的整個表面上沉積金屬層；對半導體襯底進行退火處理，從而在金屬層、柵極和光電二極管區(qū)的界面區(qū)上形成金屬硅化物層；選擇性地蝕刻金屬層上除用于將柵極和光電二極管區(qū)電連接的預定部分之外的部分；以及在包括金屬層和金屬硅化物層的半導體襯底的整個表面上形成電介質(zhì)層。


附圖1是傳統(tǒng)的3Tr-1PD型圖像傳感器的等效電路圖；附圖2是傳統(tǒng)的3Tr-1PD型圖像傳感器的單元象素的版圖；附圖3是傳統(tǒng)CMOS圖像傳感器沿附圖2中IV-IV`線的剖面圖；附圖4是根據(jù)本發(fā)明的CMOS圖像傳感器沿附圖2中IV-IV`線的剖視圖；附圖5a到5g為示出根據(jù)本發(fā)明的CMOS圖像傳感器的制造過程的剖視圖。
具體實施例方式
以下，根據(jù)本發(fā)明的CMOS傳感器及其制造方法將參照附圖詳細說明。
附圖4是根據(jù)本發(fā)明的CMOS圖像傳感器沿附圖2中IV-IV`線的剖視圖。
如附圖4所示，CMOS圖像傳感器包括形成于p型半導體襯底101的絕緣區(qū)上的絕緣層102，所述襯底101上定義了有源區(qū)和絕緣區(qū)；具有延伸并穿過有源區(qū)和絕緣層102的一部分的柵極103的源跟隨晶體管；形成于半導體襯底101的有源區(qū)的一部分上的光電二極管區(qū)(PD)105；形成于柵極103兩側(cè)的絕緣側(cè)壁106；形成于柵極103的頂層表面和與柵極103相鄰的光電二極管區(qū)105表面的一部分上的金屬硅化物層109；用于電連接柵極103到光電二極管區(qū)105的金屬層107；形成于金屬層107和金屬硅化物層109上的金屬阻擋層108；形成于包括金屬阻擋層108的半導體襯底101的整個表面上的電介質(zhì)層111。
附圖5a到5g為剖視圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的CMOS圖像傳感器的制造過程。
當晶體管制造后執(zhí)行自對準硅化物(salicide)處理時，柵極通過自對準硅化物金屬層電連接到光電二極管，這樣，避免了光電二極管被損壞。
如附圖5a所示，絕緣層102形成于半導體襯底101的絕緣區(qū)上，所述半導體襯底101上定義了有源區(qū)和絕緣區(qū)。
雖然未在圖中示出，形成絕緣層102的方法如下首先，在該半導體襯底上順序形成一個襯墊氧化層、一個襯墊氮化層和一個TEOS(正硅酸四乙酯)氧化層。接著，在TEOS氧化層上形成光刻膠膜。
此后，對所述光刻膠膜進行曝光和顯影處理，再對其用具有圖案的掩模板構(gòu)圖以形成有源區(qū)和絕緣區(qū)。此時，移除形成于絕緣層上的光刻膠膜。
接著，形成于絕緣層上的襯墊氧化層、襯墊氮化層和TEOS氧化層被選擇性地移除。此時，構(gòu)圖后的光刻膠膜作為掩模使用。
接著，以預定深度蝕刻半導體襯底的絕緣區(qū)，由此形成溝槽。此時，將構(gòu)圖后的襯墊氧化層、襯墊氮化層和TEOS氧化層用作蝕刻掩模。接著，完全移除光刻膠膜。
此后，在具有溝槽的襯底的整個表面上形成薄損耗氧化層，并且在襯底上形成O3TEOS層，以用O3TEOS填充溝槽。此時，所述損耗氧化層也形成于所述溝槽的內(nèi)壁。另外，O3TEOS形成于1000℃或者以上的溫度條件下。
接著，對半導體襯底的整個表面進行CMP(化學機械拋光)處理，O3TEOS僅保留在溝槽區(qū)，從而在溝槽中形成絕緣層102。然后，除去襯墊氧化層、襯墊氮化層、TEOS氧化層。
接著，如附圖5b所示，在半導體襯底101的整個表面上順序沉積柵極絕緣層(未示)和導電層(例如多晶聚合硅層)，接著，選擇性地蝕刻所述柵絕緣層和導電層，由此形成柵極103。
柵極103作為源跟隨晶體管的柵極。其他晶體管的柵極也隨源跟隨晶體管的柵極103同時形成。
接著，如附圖5c所示，將第一光刻膠膜104涂敷到包括柵極103的半導體襯底101的整個表面上。此后，通過曝光和顯影處理對所述第一光刻膠膜104進行選擇性構(gòu)圖，以在有源區(qū)定義光電二極管區(qū)。
接著，將低密度摻雜物注入半導體襯底101中，由此形成光電二極管區(qū)105。此時，構(gòu)圖后的所述第一光刻膠膜104作為掩模使用。
接著，如附圖5d所示，在移除所述第一光刻膠膜104之后，在半導體襯底101的整個表面上形成絕緣層。此后，對所得結(jié)構(gòu)的整個表面進行回蝕處理，由此在柵極103兩側(cè)形成絕緣側(cè)壁106。
另外，雖然附圖中沒有顯示，源極/漏極摻雜物注入形成于柵極103兩側(cè)的半導體襯底101，從而形成源極/漏極擴散區(qū)。
接著，如附圖5e所示，將自對準硅化物金屬層107沉積在包括柵極103的半導體襯底101的整個表面上。
金屬層107包括從鈦(Ti)、鉭(Ta)、鎳(Ni)、鈷(Co)中選擇的一種，其可以和半導體襯底101反應而轉(zhuǎn)化為硅化物。可選地，包括TiN或TaN的金屬阻擋層108可形成于金屬層107上。
在這種情況下，金屬阻擋層108的厚度約為200至2000_。
接著，如附圖5f所示，對形成有金屬層107的半導體襯底101執(zhí)行第一退火處理。所述第一退火處理在大約500℃的溫度上進行30秒。結(jié)果，在柵極103和光電二極管區(qū)105上形成金屬硅化物層109。
此后，將第二光刻膠膜110涂敷到半導體襯底101上。所述第二光刻膠膜110通過曝光和顯影處理選擇性地構(gòu)圖。
接著，通過將構(gòu)圖后的第二光刻膠膜110用作蝕刻掩模來選擇性地移除不與形成有柵極103和光電二極管區(qū)105的半導體襯底101發(fā)生反應的金屬阻擋層108和金屬層107。
此時，被第二光刻膠膜110覆蓋的金屬阻擋層108和金屬層107沒有被移除，保留在半導體襯底101上。金屬阻擋層108和金屬層107的保留部分做為導電連接線將柵極103和光電二極管區(qū)105電連接。
然后，如附圖5g所示，第二光刻膠膜110被移除，接著對半導體襯底101執(zhí)行第二退火處理。所述第二退火處理在大約750℃的條件下持續(xù)60秒。結(jié)果，金屬硅化物層109被穩(wěn)定。
接著，在半導體襯底101的整個表面上形成電介質(zhì)層11。
雖然本發(fā)明參照其特定優(yōu)選實施例予以展示和描述，但本領域技術(shù)人員可以理解，在不背離如權(quán)利要求定義的本發(fā)明的主旨和范圍的情況下，在形式上和細節(jié)上可以作出各種變化。
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下述優(yōu)點。
第一，光電二極管通過自對準硅化物金屬層直接連接到柵極，而沒有用特定的連接介質(zhì)，這樣CMOS圖像傳感器的制造工藝和結(jié)構(gòu)得到了簡化。因此，可以提高象素設計余量，從而縮小象素尺寸。
權(quán)利要求
1.一種包括一個光電二極管和多個晶體管的CMOS圖像傳感器，該CMOS圖像傳感器包括形成于半導體襯底的絕緣區(qū)上的絕緣層，所述半導體襯底上定義了有源區(qū)和絕緣區(qū)；延伸并穿過有源區(qū)和絕緣層的一部分的柵極；形成于半導體襯底的有源區(qū)的一部分上的光電二極管區(qū)；形成于柵極兩側(cè)的絕緣側(cè)壁；形成于柵極的頂層表面和與柵極相鄰的光電二級管區(qū)的表面的一部分上的金屬硅化物層；用于將柵極電連接到光電二極管區(qū)的金屬層；以及形成于包括金屬層和金屬硅化物層的半導體襯底的整個表面上的電介質(zhì)層。
2.如權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其中，還包括形成于金屬層和金屬硅化物層上的金屬阻擋層。
3.如權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其中，所述金屬層包括由鈦(Ti)、鉭(Ta)、鎳(Ni)和鈷(Co)中選出的一種金屬。
4.如權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其中，所述金屬阻擋層的厚度為200至2000_。
5.一種用于制造包括一個光電二極管和多個晶體管的CMOS圖像傳感器的方法，該方法包括以下步驟在半導體襯底的絕緣區(qū)上形成絕緣層，所述半導體襯底上定義了有源區(qū)和絕緣區(qū)；通過在有源區(qū)和絕緣層之間插入柵極絕緣層，在有源區(qū)和絕緣層的一部分上形成柵極；在半導體襯底的有源區(qū)的預定部分上形成光電二極管區(qū)；在所述柵極的兩側(cè)形成絕緣側(cè)壁；在包括柵極的半導體襯底的整個表面上沉積金屬層；對半導體襯底進行退火處理，以在所述金屬層、柵極和光電二極管區(qū)的交界上形成金屬硅化物層；選擇性地蝕刻所述金屬層除用于電連接柵極到光電二極管區(qū)的預定部分以外的部分；以及在包括金屬層和金屬硅化物層的半導體襯底的整個表面上形成電介質(zhì)層。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，還包括步驟在所述金屬層上沉積金屬阻擋層。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述金屬層包括由鈦(Ti)、鉭(Ta)、鎳(Ni)和鈷(Co)中選出的一種金屬。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，通過沉積厚度為200至2000_的TiN或者TaN形成所述金屬阻擋層。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種CMOS圖像傳感器及其制造方法，可以防止光電二極管的損傷并提高象素的設計余量以降低象素尺寸。該CMOS圖像傳感器包括形成于半導體襯底的絕緣區(qū)上的絕緣層；延伸并穿過絕緣區(qū)和有源區(qū)的一部分的柵極；形成于半導體襯底有源區(qū)上的光電二極管區(qū)；形成于柵極的兩側(cè)的絕緣側(cè)壁；形成于柵極的頂層和鄰接柵極的光電二級管區(qū)的部分表面上的金屬硅化物層；電連接柵極到光電二極管區(qū)的金屬層；以及形成于半導體襯底的整個表面上的電介質(zhì)層。
文檔編號H04N5/335GK1953195SQ200610163598
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