CN100576511C - Cmos图像传感器的制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的制造方法，包括以下步骤：将第一导电类型掺杂剂注入半导体衬底中，并在所述半导体衬底的表面上形成光电二极管区；对形成有光电二极管区的所述半导体衬底进行尖峰退火，由此抑制第一导电类型掺杂剂的扩散并去除晶格间的空隙；以及将第二导电类型掺杂剂注入所述光电二极管区的上部，以形成第二导电类型扩散区。本发明能够改善光电二极管的暗电流及接收光的灵敏度特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种图像传感器的制造方法，尤其涉及一种CMOS图像传感器的制造方法，用以改善图像传感器的特性。
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。图像传感器可主要分为电荷耦合器件(CCD)和CMOS图像传感器(CIS)。
CCD具有多个排列成矩阵形式的光电二极管(PD)，这些光电二极管将光信号转换为电信号。CCD包括多个垂直电荷耦合器件(VCCD)、水平电荷耦合器件(HCCD)以及读出放大器。VCCD形成于排列成矩阵形式的各个光电二极管之间，并沿着垂直方向传递每个光电二极管产生的电荷。HCCD沿着水平方向传递每个VCCD传递的电荷。读出放大器感测水平传递的电荷，并由此产生电信号。
然而，CCD的驱动方式复杂，并且其功耗较大。此外，CCD的缺点还在于由于需要多步光学处理(photo process)，因此制造工艺复杂。
此外，CCD由于难以将控制器、信号处理器以及模数(A/D)转换器集成到一个CCD芯片上而不能小型化。
近来，CMOS图像传感器作为用来克服CCD缺陷的下一代图像传感器受到了关注。
CMOS图像传感器是一种采用开关方式的器件，其中利用CMOS制造技术在半导体衬底上形成与单位象素的数量相对应的多个MOS晶体管，从而由各个MOS晶体管按顺序检测每个单位像素的输出。在CMOS制造技术中，控制器和信号处理器用作***电路。
也就是说，在CMOS图像传感器中，一个光电二极管和一个MOS晶体管形成于一个单位象素中，由此以开关方式按顺序检测每个单位像素的电信号并实现图像。
通过利用CMOS制造技术，CMOS图像传感器具有以下优点：功耗低；以及由于光学处理步骤少，因此制造工艺简单。
此外，借助于控制器、信号处理器、A/D转换器等在CMOS图像传感器芯片中的集成，CMOS图像传感器具有其产品易于小型化的优点。
因此，CMOS图像传感器广泛用于各个应用领域，例如数码相机、数码摄像机等等。
图1A至图1E是示出根据现有技术制造CMOS图像传感器的方法的横截面图。
如图1A所示，利用外延工艺，在高浓度P++型半导体衬底61上形成低浓度P-型外延层62。
在半导体衬底61中限定有源区和器件隔离区。然后，利用浅沟槽隔离(STI)工艺在器件隔离区中形成器件隔离膜63。
之后，在外延层62的整个表面上且包括在器件隔离膜63上，按顺序沉积栅极绝缘膜64和导电层(例如，高浓度多晶硅层)。接着，选择性地去除导电层和栅极绝缘膜64，从而形成栅电极65。
如图1B所示，在半导体衬底61的整个表面上方涂覆第一光致抗蚀剂膜66，并且通过曝光和显影处理将第一光致抗蚀剂膜66图案化，从而暴露每个蓝、绿和红光电二极管区。
随后，以经图案化的第一光致抗蚀剂膜66作为掩模，在外延层62中注入低浓度N型杂质离子，由此形成N-型扩散区67，即蓝、绿和红光电二级管区。
当形成用作光电二极管区的N-型扩散区67时，进行磷(P)的离子注入。为了增强信号传输的效率，以不同的离子注入能量进行连续两次处理。
换句话说，分别以不同的能量、即160KeV和100keV连续地进行用于形成光电二极管区的N型离子注入。以低能量进行的离子注入是在离子注入角度约为4度至10度的情况下进行的。以高能量进行的离子注入是在离子注入角度为零度的情况下进行的。
如图1C所示，将第一光致抗蚀剂膜66完全去除。然后，在半导体衬底61的整个表面上沉积绝缘膜并对其进行回蚀。从而，在栅电极65的两侧表面处形成绝缘侧壁层68。在半导体衬底61的整个表面上涂覆第二光致抗蚀剂膜69之后，通过曝光和显影工艺将第二光致抗蚀剂膜69图案化，以覆盖光电二极管区并暴露每个晶体管的源极/漏极区。
接下来，使用经图案化的第二光致抗蚀剂膜69作为掩模，在暴露的源极/漏极区中注入高浓度N+型杂质离子，由此形成N+型扩散区(浮置扩散区)70。
如图1D所示，去除第二光致抗蚀剂膜69。在半导体衬底61的整个表面上涂覆第三光致抗蚀剂膜71之后，通过曝光和显影工艺将第三光致抗蚀剂膜71图案化，以暴露每个光电二极管区。
使用经图案化的第三光致抗蚀剂膜71作为掩模，在光电二极管区且包括在N型扩散区67中注入P0型杂质离子(例如BF2 +)。从而，在N型扩散区67上形成P0型扩散区72。
就此而言，由于光电二极管与半导体衬底61之间界面的缺陷，在光电二极管的表面可能产生电子。这会引起电子移动到光电二极管区，由此在表面处产生不需要的信号。因此，在上表面处形成有许多空穴的P0型扩散区72用于通过使得电子与空穴结合来去除电子。
然而，有一部分电子残留，而没有被去除或与空穴结合从而导致暗电流，由此使得CMOS传感器的产品特性下降。
如图1E所示，去除第三光致抗蚀剂膜71。对半导体衬底61进行热处理，由此促进每个杂质扩散区中的扩散。
由于为了去除暗电流而通过P型离子注入来形成较厚的P型结层，因此暗电流减少，并且光接收部件的光灵敏度降低。所以，产品特性是不令人满意的。因此，在离子注入之后，应该在最大程度上防止P型掺杂剂扩散到光电二极管区。
然而，在传统技术中，在控制质量小且扩散快的硼(B)扩散方面存在局限。因此，以低能量进行的离子注入难以实现所需形式的浓度分布。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种CMOS图像传感器的制造方法，其能够改善光电二极管的暗电流及接收光的灵敏度特性。
按照本发明的方案，提供一种互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的制造方法，包括以下步骤：将第一导电类型掺杂剂注入半导体衬底中，并在所述半导体衬底的表面上形成光电二极管区；对形成有光电二极管区的所述半导体衬底进行尖峰退火；以及将第二导电类型掺杂剂注入所述光电二极管区的上部，以形成第二导电类型扩散区。其中，进行所述尖峰退火的条件为：在气体气氛中，在低于1000℃的温度下，同时每秒升高100至200℃。
本发明还提供一种互补金属氧化物半导体图像传感器的制造方法，所述方法包括以下步骤：将第一导电类型掺杂剂注入半导体衬底中，并在所述半导体衬底的表面中形成光电二极管区；对形成有所述光电二极管区的所述半导体衬底进行尖峰退火；以及将第二导电类型掺杂剂注入所述光电二极管区的上部，以形成第二导电类型扩散区，其中，进行所述尖峰退火的条件为：在800℃至900℃的温度，同时每秒升高100至200℃。
附图说明
从以下结合附图对实施例的描述，本发明的上述及其它目的和特征将变得更为明显，其中：
图1A至图1E为示出根据现有技术制造CMOS图像传感器的方法的工艺横截面图；以及
图2A至图2E为根据本发明制造CMOS图像传感器的方法的工艺横截面图。
具体实施方式
下面，参照附图详细描述根据本发明的示例性实施例。
参照图2A至图2E，示出了根据本发明制造CMOS图像传感器的方法的横截面图。
如图2A所示，利用外延工艺，在半导体衬底101上形成低浓度P-型外延层102，其中半导体衬底101例如为高浓度P++型单晶硅。
形成外延层102以使光电二极管中具有大且深的耗尽区，由此增强了低压光电二极管收集光电荷的能力，还提高了其光灵敏度。
之后，在半导体衬底101中限定有源区和器件隔离区。然后，利用浅沟槽隔离(STI)工艺在器件隔离区中形成器件隔离膜103。
下面将描述形成器件隔离膜103的方法，但没有在图中示出。
首先，在半导体衬底101上按顺序形成衬垫氧化物膜、衬垫氮化物膜和四乙基原硅酸盐(TEOS)氧化物膜。然后，在TEOS氧化物膜上形成光致抗蚀剂膜。
接下来，使用限定有源区和器件隔离区的掩模，将光致抗蚀剂膜曝光和图案化。此时，去除器件隔离区的光致抗蚀剂膜。
以经图案化的光致抗蚀剂膜作为掩模，选择性地去除器件隔离区的衬垫氧化物膜、衬垫氮化物膜和TEOS氧化物膜。
以经图案化的衬垫氧化物膜、衬垫氮化物膜和TEOS氧化物膜作为掩模，将与器件隔离区相对应的半导体衬底蚀刻至预定深度，由此形成沟槽。然后，去除光致抗蚀剂膜。
随后，在沟槽中埋入绝缘材料，由此在沟槽中形成器件隔离膜103。然后，去除衬垫氧化物膜、衬垫氮化物膜和TEOS氧化物膜。
在外延层102的整个表面上且包括在器件隔离膜103上按顺序沉积栅极绝缘膜104和导电层(例如，高浓度多晶硅层)。
栅极绝缘膜104可以通过热氧化工艺形成，也可以通过化学气相沉积(CVD)方法形成。
选择性地去除导电层和栅极绝缘膜104，由此形成栅电极105。
栅电极105成为传输晶体管的栅电极。
如图2B所示，在半导体衬底101的整个表面上且包括在栅电极105上涂覆第一光致抗蚀剂膜106，并且通过曝光和显影处理将第一光致抗蚀剂膜106图案化，从而暴露每个蓝、绿和红光电二极管区。
随后，以经图案化的第一光致抗蚀剂膜106作为掩模，在外延层102中注入低浓度N型杂质离子，由此形成N-型扩散区107，即蓝、绿和红光电二级管区。
当形成用作光电二极管区的N-型扩散区107时，进行磷(P)的离子注入。为了增强信号传输的效率，以不同的离子注入能量进行连续两次处理。
换句话说，分别以不同的能量、即160KeV和100keV连续地进行用于形成光电二极管区的N型离子注入。以低能量进行的离子注入是在离子注入角度约为4度至10度的情况下进行的。以高能量进行的离子注入是在离子注入角度为零度的情况下进行的。
如图2C所示，将第一光致抗蚀剂膜106完全去除。对半导体衬底101进行尖峰退火，由此补偿磷离子引起的晶格损伤，以形成N-型扩散区107。
在上述工艺中，在光电二极管区中注入作为N型掺杂剂的磷离子之后，在其上部注入作为P型掺杂剂的BF2 +离子。磷的离子注入必然引起硅晶格的损伤，从而使得晶格间形成空隙。空隙量与离子注入量和能量成比例。硼(B)扩散的理论上的逼近主要受到由晶格间的空隙引起的瞬时增强扩散(TED)效应影响。因此，在进行退火之前去除晶格间的空隙，以控制P型掺杂剂在光电二极管区上部的扩散。
尖峰退火的条件为：在N2或Ar气体气氛中，在低于1000℃的温度，优选在800℃至900℃的温度，同时每秒升高100℃至200℃。
然而，由于晶格间空隙的程度取决于N型掺杂剂的离子注入量和能量而不同，因此可改变条件。
尖峰退火在较低温度下进行，用以抑制N型掺杂剂在光电二极管区中的扩散，并且仅去除晶格间空隙的缺陷。此外，尖峰退火的目的是最大程度上抑制在光电二极管区的前序工艺中掺杂剂的扩散。
由于仅通过低温尖峰退火不会将掺杂剂本身退火，因此还应该进行随后的退火处理。
之后，在半导体衬底101的整个表面上沉积绝缘膜，并对其进行回蚀。由此，在栅电极105的两侧表面处形成绝缘侧壁层108。
接下来，在半导体衬底101的整个表面上涂覆第二光致抗蚀剂膜109。然后，通过曝光和显影工艺将第二光致抗蚀剂膜109图案化，以覆盖光电二极管区并暴露每个晶体管的源极/漏极区。
然后，使用经图案化的第二光致抗蚀剂膜109作为掩模，在暴露的源极/漏极区中注入高浓度N+型杂质离子。由此，在暴露的源极/漏极区中形成N+型扩散区(浮置扩散区)110。
如图2D所示，去除第二光致抗蚀剂膜109。之后，在半导体衬底101的整个表面上涂覆第三光致抗蚀剂膜111，然后通过曝光和显影工艺将第三光致抗蚀剂膜111图案化，以暴露每个光电二极管区。
使用经图案化的第三光致抗蚀剂膜111作为掩模，在外延层102中并且包括在N-型扩散区107中注入导电类型(P0型)杂质离子。从而，在外延层102的表面上形成P0型扩散区112。
在P0型扩散区112中注入的杂质离子为BF2离子。BF2离子是以1×1016原子/cm2至5×1017原子/cm2的浓度以及5KeV至20KeV的注入能量注入的。
如图2E所示，去除第三光致抗蚀剂膜111。然后，对半导体衬底101进行热处理，由此促进每个杂质扩散区中的扩散。
随后的工艺没有在图中示出，其中在产物的整个表面上在层间绝缘膜中形成多个金属布线。之后，形成滤色层和微透镜。从而，完成图像传感器。
因此，根据上述制造CMOS图像传感器的新型方法，形成光电二极管区并对其进行尖峰退火，以去除晶格间的空隙；然后，将P型掺杂剂注入光电二极管区的上部，由此抑制N型掺杂剂的扩散，同时改善光电二极管的暗电流和灵敏度特性。
尽管参照优选实施例示出且描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离所附权利要求书中限定的本发明范围的情况下，可以进行多种变化和修改。
Claims (7)
1.一种互补金属氧化物半导体图像传感器的制造方法，所述方法包括以下步骤：
将第一导电类型掺杂剂注入半导体衬底中，并在所述半导体衬底的表面中形成光电二极管区；
对形成有所述光电二极管区的所述半导体衬底进行尖峰退火；以及
将第二导电类型掺杂剂注入所述光电二极管区的上部，以形成第二导电类型扩散区，
其中，进行所述尖峰退火的条件为：在气体气氛中，在低于1000℃的温度下，同时每秒升高100至200℃。
2.一种互补金属氧化物半导体图像传感器的制造方法，所述方法包括以下步骤：
将第一导电类型掺杂剂注入半导体衬底中，并在所述半导体衬底的表面中形成光电二极管区；
对形成有所述光电二极管区的所述半导体衬底进行尖峰退火；以及
将第二导电类型掺杂剂注入所述光电二极管区的上部，以形成第二导电类型扩散区，
其中，进行所述尖峰退火的条件为：在800℃至900℃的温度，同时每秒升高100至200℃。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述尖峰退火采用的气体包括N2。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述尖峰退火采用的气体包括Ar。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中注入第一导电类型掺杂剂的步骤在不同的离子注入能量下进行两次。
6.根据权利要求1或2所述的方法，还包括以下步骤：在形成所述第二导电类型扩散区之后，对所述半导体衬底进行退火。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述尖峰退火抑制所述第一导电类型掺杂剂的扩散，并去除晶格间的空隙。
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