CN101221967A - Cmos图像传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种能够防止转移晶体管的泄漏电流的CMOS图像传感器及其制备方法。本发明涉及一种包括转移晶体管的互补金属一氧化物-硅(CMOS)图像传感器。该转移晶体管包括在由光敏二极管区、有源区和器件隔离区限定的半导体衬底之上形成的外延层。可以在器件隔离区中形成器件隔离膜。可以在用于转移晶体管的外延层之上形成栅极，且在它们之间***栅绝缘层。可以通过将第一掺杂剂离子注入到光敏二极管区的外延层中形成第一掺杂剂扩散区。可以在临近栅极的第一掺杂剂扩散区中形成势阱区。可以通过将第二掺杂剂离子注入到栅隔层的侧表面浮动扩散区的外延层中形成第二掺杂剂扩散区。
Description
本申请要求在2006年12月29日提交的韩国专利申请No.10-2006-0137543的利益，在这里引入其全部作为参考。
技术领域
本发明涉及一种CMOS图像传感器，尤其涉及一种能够防止转移晶体管(transfer transistor)的泄漏电流的CMOS图像传感器及其制备方法。
背景技术
半导体器将光学图像转换为电信号。图像传感器可以分为互补金属-氧化物-硅(CMOS)图像传感器或者电荷耦合器件(CCD)图像传感器。与CMOS图像传感器相比，CCD图像传感器具有更好的光敏性和较低的噪音。然而，CCD图像传感器可能更难于制备成高度集成器件并且具有较高的电力消耗。
相反，与CCD图像传感器相比，CMOS图像传感器具有较简单的制备工艺、较高的集成度和较低的电力消耗。近年来，由于制备半导体器件的技术已经发展，用于制备CMOS图像传感器的技术已经发展。CMOS图像传感器的像素可以包括用于接收光线的光敏二极管和用于控制通过光敏二极管输入的图像信号的晶体管。根据晶体管数量，CMOS图像传感器可以分为3T型、4T型或5T型。3T型CMOS图像传感器包括光敏二极管和三个晶体管，而4T型CMOS图像传感器包括光敏二极管和四个晶体管。
图1示出相关的CMOS图像传感器的平面图。参考图1，4T型CMOS图像传感器包括光敏二极管区PD、转移晶体管Tx、复位晶体管Rx和驱动晶体管Dx。在有源区1的最宽部分中形成光敏二极管区PD。形成转移晶体管Tx、复位晶体管Rx和驱动晶体管Dx，以覆盖除光敏二极管区PD之外的有源区1。为了使晶体管总数达到每个光敏二极管对应4个晶体管，可以包括选择晶体管Sx。
光敏二极管PD检测入射光线并根据光线强度产生电荷。转移晶体管Tx将在光敏二极管PD中产生的电荷传送到浮动扩散区FD。在传送电荷之前，为了启动复位晶体管Rx，浮动扩散区FD将从光敏二极管PD接收的电子移动到复位晶体管Rx。因此，可以将浮动扩散区FD设定到具有预定能级的预定低电荷状态。
为了检测信号，复位晶体管Rx释放存储在浮动扩散区FD中的电荷。驱动晶体管Dx作为用于将从光敏二极管PD接收的电荷转换为电压信号的源极跟随器。
如图2所示，CMOS图像传感器可以包括在光敏二极管区PD和转移晶体管Tx区中的P-型外延层4、器件隔离膜6、栅极10、n-型扩散区14、栅隔层(gate spacer)12和n+-型扩散区16。在半导体衬底2之上形成P-型外延层4。在由光敏二极管区PD、有源区1和器件隔离区确定的半导体衬底2的器件隔离区中形成器件隔离膜6。
在外延层4之上形成栅极10，且在它们之间***栅绝缘层8。在光敏二极管区PD的外延层4中形成n-型扩散区14。在栅极10的两个侧壁上形成栅隔层12。通过将n+-型掺杂剂离子注入到浮动扩散区FD的外延层4中形成n+-型扩散区16。
通常，4T型CMOS图像传感器的转移晶体管Tx具有低的阀值电压。当转移晶体管Tx的阀值电压降低时，施加到光敏二极管PD的电压增加。因此，可以将在光敏二极管PD产生的全部电子传送到浮动扩散区FD。然而，如图3所示，由于光敏二极管PD和转移晶体管Tx的能级之间的差异较小，因此当关闭转移晶体管Tx时泄漏电流增加。
发明内容
本发明涉及一种能够防止转移晶体管的泄漏电流的CMOS图像传感器及其制备方法。本发明涉及一种包括转移晶体管的互补金属-氧化物-硅(CMOS)图像传感器。该转移晶体管包括在由光敏二极管区、有源区和器件隔离区限定的半导体衬底之上形成的外延层。可以在器件隔离区中形成器件隔离膜。可以在用于转移晶体管的外延层之上形成栅极，且在它们之间***栅绝缘层。可以通过将第一掺杂剂离子注入到光敏二极管区的外延层中形成第一掺杂剂扩散区。可以在临近栅极的第一掺杂剂扩散区中形成势阱区。可以通过将第二掺杂剂离子注入到栅隔层的侧表面浮动扩散区的外延层中形成第二掺杂剂扩散区。
在实施方式中，注入到势阱区的n-型掺杂剂离子的剂量可以低于第二掺杂剂扩散区的剂量而可以高于第一掺杂剂扩散区的剂量。同样，在实施方式中，可以按照1013到1015atoms/cm2的剂量和100KeV到150KeV的能量将n-型掺杂剂离子注入到势阱区中。
本发明涉及一种制备包括转移晶体管的CMOS图像传感器的方法。该方法包括在由光敏二极管区、有源区和器件隔离区限定的半导体衬底之上形成外延层。可以在器件隔离区中形成器件隔离膜。可以在用于转移晶体管的外延层之上相继形成栅绝缘层和栅金属层。可以对栅绝缘层和栅金属层构图，而且可以形成栅极。为了形成第一掺杂剂扩散区，可以将第一掺杂剂离子注入到光敏二极管区的外延层中。可以在临近栅极的第一掺杂剂扩散区中形成势阱区。可以将第二掺杂剂离子注入到栅隔层的侧表面浮动扩散区的外延层中并且形成第二掺杂剂扩散区。
在实施方式中，注入到势阱区的n-型掺杂剂离子剂量可以低于第二掺杂剂扩散区的掺杂剂离子剂量而可以高于第一掺杂剂扩散区的掺杂剂离子剂量。同样，在实施方式中，可以按照1013到1015atoms/cm2的剂量和100KeV到150KeV的能量将n-型掺杂剂离子注入到势阱区中。在实施方式中，栅极的形成可以包括在栅极的两个侧壁之上形成栅隔层。在实施方式中，第一掺杂剂可以是n--型掺杂剂，而第二掺杂剂可以是n+-型掺杂剂。
附图说明
图1是示出相关的CMOS图像传感器的平面图。
图2是沿图1所示的CMOS图像传感器的线A-A’截取的横截面视图。
图3是示出图2所示CMOS图像传感器的能级的视图。
示例图4是示出根据实施方式的CMOS图像传感器的横截面视图。
示例图5是示出示例图4所示CMOS图像传感器的能级的视图。
示例图6A到6C是示出制备示例图4所示的CMOS图像传感器的方法的视图。
具体实施方式
参考示例图4，根据实施方式的CMOS图像传感器包括转移晶体管。CMOS图像传感器还包括P-型外延层104、器件隔离膜106、栅极110、n-型扩散区、栅隔层112、n+-型扩散区116和势阱区120。在P+-型半导体衬底102之上形成P-型外延层104。在由光敏二极管区PD、有源区和器件隔离区确定的半导体衬底的器件隔离区中形成器件隔离膜106。
在用于转移晶体管的外延层104之上形成栅极110，且在它们之间***栅绝缘层108。在光敏二极管区PD的外延层104中形成n-型扩散区114。在栅极110的两个侧壁之上形成栅隔层112。通过将n+-型掺杂剂离子注入到浮动扩散区FD的外延层104中形成n+-型扩散区116。通过将n-型掺杂剂离子注入到n-型扩散区114中形成势阱区120。
特别地，势阱区120成为势垒。更加详细地，通过增加临近转移晶体管Tx的光敏二极管FD的n-型扩散区114的浓度形成势垒。将注入到势阱区120的n-型掺杂剂离子数量，即，剂量设定为低于n+-型扩散区116的掺杂剂离子剂量而高于n-型扩散区114的掺杂剂离子剂量。就是说，以1013到1015atoms/cm2的剂量和100KeV到150KeV的能量将n-型掺杂剂离子注入到势阱区120中。
以上述离子注入条件，将信号电子优先收集在势阱区120中，如示例图5所示。因此，当启动转移晶体管Tx时，电子流入到具有较低能级的浮动扩散区FD中。相反，由于转移晶体管Tx的通道能级相对高于现有技术的，当关闭转移晶体管Tx时，减少了转移晶体管Tx的泄漏电流。
现在将参考图6A到6C描述制备CMOS图像传感器的方法。参考图6A，在半导体衬底102之上形成外延层104、栅绝缘层108、栅极110和n-型扩散区114。首先，为了形成低浓度P-型外延层104，P+-型半导体衬底102经受外延工艺。此后，在外延层104之上形成转移晶体管Tx的栅绝缘层108和栅极110。
更加详细地，通过沉积方法在外延层104之上相继形成栅绝缘膜和栅金属层。顺序地，为了形成栅绝缘膜108和栅极110，通过光刻法使用掩模对栅绝缘膜和栅金属层构图。此后，形成光刻胶图像，以便曝光外延层104的光敏二极管区PD。接下来，为了形成n-型扩散区114，将n-型掺杂剂离子注入到曝光的光敏二极管区PD中。
如示例图6B所示，在栅极110的两个侧壁之上形成栅隔层112。更加详细地，为了在栅极110侧壁之上形成栅隔层112，在栅极110之上形成绝缘膜(SiN)并且执行回蚀(etch-back)工艺。接下来，形成光刻胶图像118，以便曝光临近转移晶体管Tx的n-型扩散区114的一部分。
如示例图6C所示，为了形成势阱区120，将n-型掺杂剂离子注入到曝光的n-型扩散区114中。注入到势阱区120中的n-型掺杂剂离子剂量低于下面描述的n+-型扩散区116的掺杂剂离子剂量而高于n-型扩散区114的掺杂剂离子剂量。此后，通过将n+-型掺杂剂离子注入到浮动扩散区FD的外延层104中形成n+-型扩散区116。
该类型的转移晶体管Tx也可应用于3T型CMOS图像传感器。根据实施方式，在临近转移晶体管Tx的光敏二极管区PD的n-型扩散区中形成势阱区。因此，在实施方式中，由于该转移晶体管Tx的通道能级相对高于现有技术的通道能级，当转移晶体管Tx处于关闭状态时，减少了转移晶体管Tx的泄漏电流。根据实施方式，由于将在光敏二极管区PD中产生的电子收集在势阱区中，因此当从远离转移晶体管Tx的位置迁移时电子损失的可能性降低，并且由此可以改进传感器的灵敏性。
对于本领域技术人员，明显且显而易见的是可以在公开的实施方式中作出不同修改和改变。因此，所公开的实施方式应当覆盖这些明显且显而易见的修改和改变，只要它们在所附权利要求及其等效的范围内。
Claims (20)
1.一种装置，包括：
外延层，形成在由光敏二极管区和有源区限定的半导体衬底之上；
栅极，形成在外延层之上，在它们之间***栅绝缘层；
第一掺杂剂扩散区，通过将第一掺杂剂离子注入到光敏二极管区的外延层中而形成；
势阱区，形成在临近栅极的第一掺杂剂扩散区中；
第二掺杂剂扩散区，通过将第二掺杂剂离子注入到栅隔层的侧表面浮动扩散区的外延层中而形成。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，注入到势阱区的n-型掺杂剂离子剂量低于第二掺杂剂扩散区的而高于第一掺杂剂扩散区的。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，以1013到1015atoms/cm2的剂量将n-型掺杂剂离子注入到势阱区中。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，以100KeV到150KeV的能量将n-型掺杂剂离子注入到势阱区中。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一掺杂剂是n-型掺杂剂。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二掺杂剂是n+-型掺杂剂。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述栅形成互补金属-氧化物-硅图像传感器中的转移晶体管的一部分。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，当转移晶体管处于关闭状态时，将信号电子优先收集在势阱区中。
9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，当启动转移晶体管时，来自势阱区的信号电子流入到第二掺杂剂扩散区中，所述第二掺杂剂扩散区的能级比第一掺杂剂扩散区中的势阱区外部的信号电子的能级低。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，同样由器件隔离区限定在半导体衬底之上形成的外延层，而且在器件隔离区中形成器件隔离膜。
11.一种方法，包括：
在由光敏二极管区和有源区限定的半导体衬底之上形成外延层；
在用于转移晶体管的外延层之上相继形成栅绝缘膜和栅金属层；
为了形成栅极，对栅绝缘膜和栅金属层构图；
为了形成第一掺杂剂扩散区，将第一掺杂剂离子注入到光敏二极管区的外延层中；
在临近栅极的第一掺杂剂扩散区中形成势阱区；以及
为了形成第二掺杂剂扩散区，将第二掺杂剂离子注入到栅隔层的侧表面浮动扩散区的外延层中。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，注入到势阱区的n-型掺杂剂离子剂量低于第二掺杂剂扩散区的掺杂剂离子剂量而高于第一掺杂剂扩散区的掺杂剂离子剂量。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，以1013到1015atoms/cm2的剂量将n-型掺杂剂离子注入到势阱区中。
14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，以100KeV到150KeV的能量将n-型掺杂剂离子注入到势阱区中。
15.如权利要求11所述的方法，其特征在于，栅极的形成包括在栅极的侧壁之上形成栅隔层。
16.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第一掺杂剂是n-型掺杂剂而第二掺杂剂是n+-型掺杂剂。
17.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述栅形成互补金属-氧化物-硅图像传感器中转移晶体管的一部分。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，当转移晶体管处于关闭状态时，将信号电子优先收集在势阱区中。
19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，当启动转移晶体管时，信号电子从势阱区流入到第二掺杂剂扩散区中，所述第二掺杂剂扩散区的能级比第一掺杂剂扩散区中的势阱区外部的信号电子能级低。
20.如权利要求11所述的方法，其特征在于，包括在另外限定半导体衬底的器件隔离区中形成器件隔离膜。
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